Java19的结构化并发，一种新的多线程编程模式

　　#头条创作挑战赛#
　　结构化并发在 Java 19 中是孵化功能，比预览功能的成熟度更低。想要尝鲜的朋友可以试试。想要在 LTS 版本中使用该功能，估计得等到 Java 25了。
　　结构化并发并不是一个新鲜的名词，这个概念已经出现很久了。Kotlin 的协程（Coroutines）就已经实现了结构化并发。Java 19 中引入了结构化并发，可以作为一个新的多线程编程模式。结构化并发和虚拟线程（说一说 Java 19 中的虚拟线程）都来自 OpenJDK 的 Loom 项目。多线程编程的难点
　　多线程编程一直以来都是 Java 开发中比较复杂难懂的部分。这一方面是多线程编程自身的复杂性，另外一方面则是由于语言和标准库的限制。如果给你一个开发任务，让你在单线程中完成，那肯定会简单很多。比如下面的一段代码，在 takeAction 方法里面，分别调用 callOp1 和 callOp2 方法来得到两个值，最后再把用得到的结果值来调用 callOp3。int takeAction(String input) {   int result1 = callOp1(input);   int result2 = callOp2(input);   return callOp3(result1, result2); }
　　如果 takeAction 方法在同一个线程中执行，那么整个方法内部的调用流程是很清晰的。当 takeAction 方法返回时，callOp1、callOp2 和 callOp3 方法必定已经完成，或者由于之前的错误还未被调用。也就是说，这些方法的状态是确定的，只能处于执行成功、执行失败和未执行这三种状态之一。
　　如果 callOp1、callOp2 和 callOp3 这3个方法都是在各自的线程中运行的，那么很多在单线程情况下理所应当的结论，就不会成立了。这些方法的状态会变得更复杂：由于执行方法的线程池的负载过大，方法处于等待执行的状态。执行方法的线程可能被中断，导致方法的执行被取消。callOp1 和 callOp2 是并行执行的，如果 callOp1 在执行中产生了错误，而此时 callOp2 如果还在执行中，应该取消 callOp2 的执行，因为 takeAction 会以错误的结果返回，callOp2 的结果不再需要了。当 takeAction 方法以错误的结果返回时，callOp2 可能仍然还在执行中，直到得到最后的结果，但是这个结果会被丢弃。这是因为对 callOp2 的取消请求可能未得到及时的响应。任何一个任务的执行时间可能都过长，比如它可能需要等待别的任务完成。这就要求妥善处理超时的问题。
　　这是多线程开发难以掌握的原因之一，因为它要求你考虑各种复杂的情况，拉高了开发的门槛。在实际的开发中，我们会使用 Java 标准库和第三方库提供的 API 来进行多线程开发。这可以在一定程度上简化开发。任务执行
　　在多线程开发中，绝大部分的工作都可以抽象成任务执行。这些任务的执行有下面这些特点：执行流程从主任务开始。主任务会被划分成多个子任务。子任务可以被进一步划分。全部的任务会组成一个树形结构。每个任务在独立的线程中执行。任务的执行可能成功或失败，也可能被取消。父任务负责管理子任务。根据子任务的执行状态，已有的正在运行的子任务可能被取消，新的子任务可能被创建。任务之间通过线程安全的数据结构来共享数据，或者使用消息传递机制来进行通信。
　　在目前的 Java 开发中，对于这样多线程任务的执行，一般使用的是 CompletableFuture 或 ListenableFuture 的级联方式。每个任务返回一个 CompletableFuture 对象来表示执行的结果。如果执行成功，CompletableFuture 表示得到的结果值；如果执行失败，CompletableFuture 表示产生的异常。使用 CompletableFuture 时并不是直接获取结果，而是添加一个回调方法，表示当前任务执行之后的下一步操作。
　　同样的 takeAction 方法，如果用 CompletableFuture 来实现，会是下面这样的代码。与单线程的代码相比，CompletableFuture 的代码并不直观。CompletableFuture takeAction(String input) {   var result1 = callOp1(input);   var result2 = callOp2(input);   return result1       .thenCombine(result2, (v1, v2) -> new int[] {v1, v2})       .thenCompose(values -> callOp3(values[0], values[1])); }结构化并发
　　对于结构化并发（Structured Concurrency），并没有一个清晰的解释。结构化并发要解决的问题是，如何让开发人员更加容易地编写并发代码，尽可能地对开发人员屏蔽多线程相关的细节。具体来说，结构化并发让你以类似单线程的方式来编写多线程代码。
　　由于结构化并发在 Java 19 中是孵化功能，相关的模块需要被显式地启用。这是通过添加 javac 和 java 的参数 ＂--add-modules jdk.incubator.concurrent＂ 来实现的。
　　结构化并发使用了前面提到的任务执行的概念。在使用结构化并发之前，首先需要创建一个结构化任务作用域（scope），然后在这个作用域中创建并执行任务。这些任务的生命周期由作用域负责管理。 当作用域被关闭时，其中所包含的任务都会结束。这就意味着开发人员不用处理任务的失败、取消和超时等情况，完全由底层平台提供支持。
　　在一个作用域中，其中创建的任务中也可以创建自己的作用域，用来管理该任务的子任务。这就形成了一个任务组成的树形结构。
　　使用结构化并发的基础类是  jdk.incubator.concurrent.StructuredTaskScope。StructuredTaskScope 表示的是一个使用结构化并发的作用域。
　　下表列出了 StructuredTaskScope 中的方法。
　　方法
　　说明
　　fork(Callable<? extends U> task)
　　启动一个线程来执行任务
　　join()
　　等待所有任务执行完成，或当前作用域被关闭
　　joinUntil(Instant deadline)
　　与 join() 相同，只不过设置了终止时间
　　shutdown()
　　结束任务作用域
　　close()
　　关闭任务作用域
　　下面的代码给出了 StructuredTaskScope 的使用示例，用来实现 takeAction 方法。在 takeAction 方法中的作用域中创建了调用 callOp1 和 callOp2 的子任务。等这两个子任务完成之后，使用得到的结果调用 combine 方法。combine 方法中也创建了作用域，调用了 callOp3 一个子任务。public class StructuredWay {   int takeAction(String input) throws InterruptedException, ExecutionException {     try (var scope = new StructuredTaskScope.ShutdownOnFailure()) {       Future v1 = scope.fork(() -> callOp1(input));       Future v2 = scope.fork(() -> callOp2(input));       scope.join();       scope.throwIfFailed();       return combine(v1.resultNow(), v2.resultNow());     }   }    int combine(int result1, int result2) throws InterruptedException, ExecutionException {     try (var scope = new StructuredTaskScope.ShutdownOnFailure()) {       Future r = scope.fork(() -> callOp3(result1, result2));       scope.join();       scope.throwIfFailed();       return r.resultNow();     }   } }
　　使用 StructuredTaskScope 的基本流程如下：主任务创建一个 StructuredTaskScope 对象。使用 fork 方法来创建子任务。使用 join 或 joinUntil 方法来等待子任务完成或取消。在 join 或 joinUntil 方法返回之后，处理子任务中可能出现的错误，并使用子任务产生的结果。关闭作用域对象，一般使用 try-with-resources 可以自动进行关闭。
　　看到上面的代码，你的第一反应可能是这样的代码也很繁琐。不过这里的重点在于思维方式的变化。结构化并发的思维方式，更加类似传统的单线程应用，因此更容易理解。
　　在上述的代码中，用到的是作用域的实现 ShutdownOnFailure。与它作用类似的是 ShutdownOnSuccess。ShutdownOnFailure 适用的是作用域中的所有任务都必须成功的场景。只要有一个任务失败，该作用域的 shutdown 方法会被调用，其他未完成的任务线程也会被中断。ShutdownOnSuccess 适用的是作用域中的任意任务成功即可的场景。只要有一个任务成功，该作用域的 shutdown 方法会被调用，其他未完成的任务线程也会被中断。
　　对于作用域的任务，如果在执行中出现错误，可以调用 StructuredTaskScope 的 shutdown 方法来终止执行。调用 shutdown 方法会阻止新任务的执行，同时取消正在运行中的任务。
　　关于结构化并发的基本介绍就到这里。由于结构化并发的实现还处于非常早期的阶段，API 可能发生在后续版本中产生变化。大家并不需要关注过多的细节，但是有必要关注这种即将到来的新的多线程编程模式，应该会让以后的多线程编程更简单。