Einführung
Die Entscheidung zwischen synchronen und asynchronen Programmiermodellen ist in der Softwareentwicklung nicht nur eine technische Frage; sie beeinflusst die Zusammenarbeit von Anwendungen, die Ausführung von Aufgaben und die Reaktion auf Benutzereingaben. Die Wahl des richtigen Modells kann über Erfolg oder Misserfolg eines Projekts entscheiden, insbesondere im Vergleich der beiden Paradigmen. Ziel dieses Artikels ist es, einige Unklarheiten bezüglich dieser Konzepte zu beseitigen, indem die Unterschiede zwischen synchroner und asynchroner Programmierung klar herausgearbeitet und ihre Vor- und Nachteile sowie Best Practices erläutert werden. Durch ein umfassendes Verständnis der jeweiligen Strategien können Entwickler fundierte Entscheidungen treffen und ihren Ansatz optimal an die Bedürfnisse ihrer Anwendungen anpassen.
Grundlagen der parallelen Programmierung
Was ist parallele Programmierung?
Bei der parallelen Programmierung werden Aufgaben nacheinander ausgeführt. Wie bei einem Buch, das man von Anfang an liest, muss jede Aufgabe abgeschlossen sein, bevor die nächste beginnen kann. Der Ablauf ist vorhersehbar und einfach.
Das System kann sich aufhängen oder nicht mehr reagieren, wenn eine Aufgabe zu lange dauert. Blockierendes Verhalten ist eines der herausragenden Merkmale der nebenläufigen Programmierung.
Wie funktioniert es?
Das Modell der nebenläufigen Programmierung führt Operationen linear aus. Dieser Prozess lässt sich wie folgt vereinfachen:
- Die Programmausführung erfolgt sequenziell.
- Die Aufgaben werden in der Reihenfolge des Codes ausgeführt.
- Von oben nach unten wird jede Codezeile ausgeführt.
Dauert eine Aufgabe lange, wie beispielsweise das Einlesen einer großen Datei oder das Warten auf Benutzereingaben, blockiert das Programm, bis die Aufgabe abgeschlossen ist. Parallele Programmierung blockiert.
Anwendungsfälle, in denen die parallele Programmierung besonders hervorsticht
Parallele Programmierung ist besonders nützlich, wenn Aufgaben in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden müssen. Wenn Sie beispielsweise einen Kuchen backen möchten, können Sie ihn nicht in den Ofen schieben, bevor Sie die Zutaten vermischt haben. Ähnlich verhält es sich in einer Anwendung: Sie müssen möglicherweise Daten aus einer Datenbank abrufen, bevor Sie sie verarbeiten können.
Beispiel: Sequenzielles Lesen einer Datei
Hier ist ein Beispiel dafür, wie parallele Programmierung im Kontext des Lesens von Dateien funktioniert:
function readFilesSequentially(fileList) {
for each file in fileList {
content = readFile(file) // This is a blocking operation
process(content)
}
}In diesem Pseudocode wird die Funktion readFile(file) Es handelt sich um eine synchrone Operation. Funktion Prozess(Inhalt) Bis readFile(file) Die Datei wurde noch nicht vollständig eingelesen, daher wird sie nicht ausgeführt. Dies ist ein deutliches Beispiel für die sequentielle und blockierende Natur der nebenläufigen Programmierung.
Überblick über asynchrone Programmierung
Was ist asynchrone Programmierung?
Asynchrone Programmierung ist ein Paradigma, das die parallele statt sequenzielle Ausführung von Aufgaben ermöglicht. Das bedeutet, dass die Programmausführung nicht auf den Abschluss einer Aufgabe warten muss, bevor die nächste ausgeführt wird. Es ist wie an einem Buffet – man muss nicht warten, bis jemand mit dem Essen fertig ist, bevor man selbst anfangen kann.
In der asynchronen Programmierung werden Aufgaben oft gestartet und dann beiseitegelegt, damit andere Aufgaben ausgeführt werden können. Sobald die Hauptaufgabe abgeschlossen ist, kann sie an der Stelle fortgesetzt werden, an der sie unterbrochen wurde. Diese nicht-blockierende Eigenschaft ist eines der Hauptmerkmale der asynchronen Programmierung.
Wie funktioniert es?
Gleichzeitige Ausführung: Ein wesentlicher Aspekt der asynchronen Programmierung ist die Möglichkeit, mehrere Aufgaben gleichzeitig auszuführen. Dies kann die Effizienz und Leistung von Anwendungen deutlich steigern, insbesondere in Szenarien, in denen Aufgaben voneinander unabhängig sind oder auf externe Ressourcen wie Netzwerkanfragen warten müssen.
Nicht-blockierende Eigenschaft: Asynchrone Programmierung blockiert den Rest des Programms nicht, da sie nicht auf langlaufende Aufgaben wie E/A-Operationen wartet. In der Benutzeroberflächenprogrammierung kann dies die Benutzerfreundlichkeit und Reaktionsfähigkeit verbessern.
Anwendungsfälle, in denen asynchrone Programmierung verwendet werden sollte
E/A-abhängige Aufgaben werden häufig asynchron programmiert. Asynchrone Aufgaben können in der Webentwicklung verwendet werden, um API-Anfragen zu senden, auf Datenbanken zuzugreifen und Benutzereingaben zu verarbeiten, ohne den Hauptthread zu unterbrechen.
Beispiel: AJAX-Anfragen in der Webentwicklung mit Pseudocode
Asynchrone Programmierung kann verwendet werden, um AJAX-Anfragen in der Webentwicklung zu senden. Siehe folgendes Beispiel:
function fetchAndDisplayData(url) {
// This is a non-blocking operation
data = asyncFetch(url);
data.then((response) => {
// This code will run once the data has been fetched
displayData(response);
});
}Im obigen Pseudocode ist die Funktion asyncFetch(url) Es handelt sich um eine asynchrone Operation. Funktion displayData(response) Bis asyncFetch(url) Der Prozess hat die Datenverarbeitung noch nicht abgeschlossen und wird daher nicht ausgeführt. Währenddessen kann anderer Code im Hintergrund weiterlaufen, was die nicht-blockierende Natur der asynchronen Programmierung verdeutlicht.
Vergleich von asynchroner und synchroner Programmierung
Die Unterschiede zwischen synchroner und asynchroner Programmierung hinsichtlich Leistung, Programmausführung und Laufzeit sind folgende:
Programmausführung
Gleichzeitig: In einem nebenläufigen System werden Aufgaben sequenziell, eine nach der anderen, ausgeführt. Dadurch lässt sich der Kontrollfluss leicht vorhersagen und implementieren.
Asynchron: In einer asynchronen Umgebung können Aufgaben parallel ausgeführt werden. Das bedeutet, dass die Software nicht warten muss, bis eine Aufgabe abgeschlossen ist, bevor sie mit der nächsten fortfahren kann.
Leistung
Gleichzeitig: Bei gleichzeitiger Ausführung mehrerer Aufgaben kann es passieren, dass das gesamte System einfriert oder nicht mehr reagiert, wenn eine Aufgabe zu lange dauert.
Asynchron: Die nicht-blockierende Natur der asynchronen Programmierung kann zu einer reaktionsschnelleren und reibungsloseren Benutzererfahrung führen, insbesondere im Kontext der Entwicklung von Benutzeroberflächen.
Anlass für Programme
Gleichzeitig: Ideal für Situationen, in denen Schritte in einer vorgegebenen Reihenfolge ausgeführt werden müssen.
Asynchron: Aufgaben gelten als asynchron, wenn sie E/A-abhängig und nicht CPU-abhängig sind.
Wann sollte man asynchrone Programmierung verwenden?
- Webbasierte Anwendungen: Um zu verhindern, dass der Hauptthread unterbrochen wird, können asynchrone Aufgaben verwendet werden, um Operationen wie API-Anfragen durchzuführen.
- Datenbankverwaltung: Datenlese- und -schreibvorgänge können zeitaufwändig sein und müssen nicht abgeschlossen sein, bevor andere Aufgaben ausgeführt werden können.
- Programmierung der Benutzeroberfläche: Asynchrone Programmierung ermöglicht eine reaktionsschnellere und flüssigere Benutzererfahrung bei der Verarbeitung von Benutzereingaben.
- Datei-E/A-Operationen: Im Allgemeinen müssen zeitaufwändige Datei-E/A-Operationen nicht abgeschlossen sein, bevor mit dem nächsten Schritt fortgefahren wird.
Ereignisschleife und Aufrufstapel
In JavaScript erfordert die effektive Arbeit mit asynchronem Code ein Verständnis der Ereignisschleife und ihres Aufrufstapels. Vereinfacht gesagt, führt der Aufrufstapel den Code der Reihe nach aus. Parallele Aufgaben werden zuerst ausgeführt, und erst dann kann die Ereignisschleife asynchrone Anweisungen ausführen, wie zum Beispiel … setTimeout Oder API-Anfragen werden nach der synchronen Verarbeitung des Codes bearbeitet.
So scheint JavaScript viele Dinge gleichzeitig zu erledigen, obwohl es technisch gesehen Single-Threaded ist. Während diese asynchronen Operationen laufen, stellt die Ereignisschleife sicher, dass alle Daten zeitnah verarbeitet werden, ohne den Hauptthread zu blockieren.
Das Verständnis der Wechselwirkung zwischen Ereignisschleife und Aufrufstapel hilft uns, besseren asynchronen Code zu schreiben und häufige Probleme wie das Einfrieren der Benutzeroberfläche oder extrem langsame Interaktionen zu vermeiden.
Asynchrone Programmierung mit Web Workern
Das nächste sehr nützliche Werkzeug zur asynchronen Aufgabenverwaltung ist: Web Workers Sie ermöglichen es uns, JavaScript im Hintergrund auszuführen, ohne den Hauptthread zu blockieren. Dies ist besonders nützlich für die Performance und Aufgaben wie komplexe Berechnungen oder das Abrufen großer Datenmengen. Web Workers bieten echte Parallelverarbeitung, sodass wir rechenintensive Aufgaben in einen separaten Thread auslagern und den Hauptthread weiterhin steuern können. Allerdings ist zu beachten, dass Workers keinen Zugriff auf das DOM haben und sich daher besser für Aufgaben eignen, die keine direkten UI-Aktualisierungen erfordern.
Hier ein kurzes Beispiel für die Verwendung von Web Workers:
// In the main script
const worker = new Worker("./worker.js");
worker.postMessage("Start the task");
// In the worker script (worker.js)
onmessage = function (event) {
// Perform long-running task here
postMessage("Task done");
};Wann sollte man parallele Programmierung verwenden?
- Daten sequenziell empfangen und verarbeiten: Bei manchen Anwendungen ist das Abrufen von Daten aus einer Datenbank eine Voraussetzung für die Verarbeitung dieser Daten.
- Schreiben einfacher Skripte: Bei der Arbeit mit kleinen Skripten kann die parallele Programmierung einfacher zu verstehen und zu debuggen sein.
- CPU-abhängige Aufgaben: Durchführung rechenintensiver, CPU-abhängiger Operationen. Parallele Programmierung kann für CPU-abhängige Aufgaben effizienter sein als für E/A-abhängige Aufgaben.
Praktische Beispiele im Code
Beispiel für parallelen Code: Sequenzielle Verarbeitung einer Liste von Aufgaben
Bei der parallelen Programmierung werden Aufgaben sequenziell abgearbeitet. Hier ist ein Beispiel in Python:
import time
def process_userData(task):
# Simulate task processing time
time.sleep(1)
print(f"Task {task} processed")
tasks = ['task1', 'task2', 'task3']
for task in tasks:
process_userData(task)Die Aufgaben werden von dieser Methode für parallele Prozesse nacheinander ausgeführt. Prozess-Benutzerdaten Die Aufgaben werden nacheinander verarbeitet. Dauert die Ausführung einer Aufgabe lange, müssen nachfolgende Aufgaben aufgrund dieser sequenziellen Verarbeitung warten, was zu Verzögerungen führen kann. Die Anwendungsleistung und die Benutzerfreundlichkeit können dadurch beeinträchtigt werden.
Beispiel für asynchronen Code: Gleichzeitiger Empfang von Daten aus mehreren Quellen
Im Gegensatz dazu ermöglicht die asynchrone Programmierung die gleichzeitige Verarbeitung von Aufgaben. Hier ist ein Beispiel in Python unter Verwendung der Bibliothek. asyncio Es ist gegeben:
import asyncio
async def retrieve_data(source):
# Simulate time taken to fetch data
await asyncio.sleep(1)
print(f"Data retrieved {source}")
sources = ['source1', 'source2', 'source3']
async def main():
tasks = retrieve_data(source) for source in sources]
await asyncio.gather(*tasks)
asyncio.run(main())Die asynchrone Methode startet mehrere Prozesse gleichzeitig. Dadurch kann die Anwendung ohne Unterbrechung von einer Aufgabe zur nächsten wechseln. Dies verbessert die Anwendungsleistung und die Benutzerfreundlichkeit. Die Verwaltung von Aufgaben und Rückruffunktionen kann die Implementierung jedoch erschweren.
console.log("Start"); // First task (synchronous) - goes to call stack
setTimeout(() => {
console.log("Timeout callback"); // This task(aysnchronous) is put into the event loop
}, 1000);
console.log("End"); // Second task (synchronous) - in call stackAufrufliste:
Funktion console.log('Start') Sie wird zuerst ausgeführt, da es sich um eine synchrone Operation handelt. Die Funktion wird verarbeitet und sofort vom Aufrufstapel entfernt.
Funktion setTimeout() Es handelt sich um eine asynchrone Funktion, daher ist ihr Callback console.log('Timeout-Callback') Es wird verzögert und an die Ereignisschleife gesendet, um nach 1 Sekunde (1000 Millisekunden) ausgeführt zu werden, aber selbst setTimeout() Es blockiert die Codeausführung nicht.
Dann console.log('Ende') Es wird ausgeführt, weil es sich um eine gleichzeitige Operation handelt, die im Hauptthread ausgeführt wird.
Ereignisschleife:
Nach parallelen Aufgaben (wie z. B. console.log('Start') Und console.log('Ende')Wenn die entsprechenden Aktionen ausgeführt werden, wartet die Ereignisschleife eine Sekunde und ruft dann die asynchrone Rückruffunktion auf. setTimeout Prozesse.
Sobald der Callback bereit ist, legt die Ereignisschleife ihn auf den Aufrufstapel und führt ihn anschließend aus. ''Timeout-Callback'' Drucke.
Ausgabe:
Start
End
Timeout callbackDieses Beispiel zeigt, wie JavaScript zuerst synchrone Aufgaben ausführt und anschließend asynchrone Aufgaben mithilfe der Ereignisschleife verarbeitet, nachdem der Hauptaufrufstapel gelöscht wurde.
Bewährte Vorgehensweisen und Muster für die effektive Nutzung der einzelnen Programmiermodelle
Parallele Programmierung
- Verwenden Sie diese Anwendung, wenn Einfachheit wichtig ist: Parallele Programmierung ist einfach und verständlich, daher ist sie ideal für einfache Aufgaben und Skripte.
- Vermeiden Sie es bei E/A-abhängigen Aufgaben: Parallele Programmierung kann den ausführenden Thread blockieren, während auf E/A-Operationen (z. B. Netzwerkzugriffe oder Lese-/Schreibvorgänge auf der Festplatte) gewartet wird. Verwenden Sie für solche Aufgaben asynchrone Programmierung, um Blockierungen zu vermeiden.
Asynchrone Programmierung
- Verwendung für E/A-abhängige Aufgaben: Asynchrone Programmierung eignet sich hervorragend für E/A-abhängige Aufgaben. Sie ermöglicht es dem ausführenden Thread, andere Aufgaben fortzusetzen, während er auf den Abschluss der E/A-Operation wartet.
- Beachten Sie die gemeinsam genutzten Ressourcen: Asynchrone Programmierung kann zu Wettlaufsituationen führen, wenn mehrere Prozesse auf gemeinsam genutzte Ressourcen zugreifen und diese verändern. Um dieses Problem zu vermeiden, sollten Synchronisierungsmechanismen wie Sperren oder Semaphore verwendet werden.
Gängige Entwurfsmuster
Parallele Programmierung
Das am häufigsten vorkommende Muster in der nebenläufigen Programmierung ist das sequentielle Ausführungsmuster, bei dem Aufgaben nacheinander ausgeführt werden.
Asynchrone Programmierung
- Versprechen: Promises repräsentieren einen Wert, der möglicherweise noch nicht verfügbar ist. Sie werden verwendet, um asynchrone Operationen zu handhaben und bieten Methoden zum Anhängen von Rückruffunktionen, die aufgerufen werden, sobald der Wert verfügbar ist oder ein Fehler auftritt.
- Async/Await: Diese Funktion ist eine Art syntaktische Erweiterung von Promises, die asynchronen Code synchronem Code ähnlicher erscheinen lässt. Dadurch wird asynchroner Code einfacher zu schreiben und zu verstehen.
Wie man häufige Probleme vermeidet
Rückruf-Hölle
«Callback-Hölle» bezeichnet die Verschachtelung von Callback-Funktionen, die den Code unleserlich und unverständlich macht. Hier sind einige Möglichkeiten, dies zu vermeiden:
- Modularisieren Sie Ihren Code: Teilen Sie Ihren Code in kleinere, wiederverwendbare Funktionen auf.
- Verwendung von Promises oder Async/Await: Diese JavaScript-Funktionen können Ihren Code aufräumen und ihn lesbarer und verständlicher machen.
- Fehlerbehandlung: Denken Sie bei Ihren Callback-Funktionen stets an eine Fehlerbehandlung. Unbehandelte Fehler können zu unvorhersehbaren Ergebnissen führen.
Asynchrone Programmierung – Speicherverwaltung
Ich möchte Ihnen ein paar Tipps geben, wie Sie den Speicher bei der asynchronen Programmierung effektiv verwalten können, da eine unsachgemäße Handhabung zu Leistungsproblemen wie Speicherlecks führen kann.
Speicherverwaltung in der asynchronen Programmierung
Bei der Arbeit mit asynchronem Code ist es sehr wichtig, auf die Speicherverwaltung und -freigabe zu achten. Dies betrifft langlaufende Aufgaben oder unerledigte Promises, die bei unsachgemäßer Verwaltung zu Speicherlecks führen können.
Müllabfuhr
In JavaScript wird der Speicher vom Garbage Collector verwaltet. Dieser entfernt automatisch Speicher, der vom Programm nicht mehr benötigt wird. Bei asynchroner Programmierung kann es jedoch passieren, dass mehr Speicher belegt wird als nötig, wenn man nicht aufpasst. Beispielsweise können Promises, die nie aufgelöst werden, Event-Listener, die noch aktiv sind, oder Timer, die laufen, große Speichermengen belegen.
Häufige Ursachen für Speicherlecks in asynchronem Code
- Nicht erfüllte Versprechen: Wenn ein Versprechen nie eingelöst oder abgelehnt wird, kann dies die Bereinigung des Gedächtnisses verhindern.
let pendingPromise = new Promise(function (resolve, reject) {
// This promise never resolves
});- Zuhörer der Veranstaltung: Man vergisst leicht, einen Ereignis-Listener zu entfernen, wenn er nicht mehr benötigt wird. Dies führt zu unnötigem Speicherverbrauch.
element.addEventListener("click", handleClick);
// Forgetting to remove the listener
// element.removeEventListener('click', handleClick);- Timer: Verwendung von
setTimeoutOdersetIntervalWerden sie nicht gelöscht, wenn sie nicht mehr benötigt werden, kann dies dazu führen, dass Erinnerungen länger als nötig erhalten bleiben.
var timer = setInterval(function () {
console.log("Running.");
}, 1000);
// Forgetting to clear the interval
// clearInterval(timer);Bewährte Verfahren zur Vermeidung von Speicherlecks
- Versprechen, erfüllen oder ablehnen: Ein Versprechen muss entweder erfüllt oder abgelehnt werden, damit seine Speicherung freigegeben wird, sobald es nicht mehr benötigt wird.
let myPromise = new Promise((resolve, reject) =>
setTimeout(() => {
resolve("Task complete");
}, 1000),
);
myPromise.then((result) => console.log(result));- Entfernen von Ereignis-Listenern: Sobald Ereignis-Listener hinzugefügt wurden, sollten sie entfernt werden, wenn sie nicht mehr benötigt werden, entweder weil das entsprechende Element entfernt wurde oder seine Funktionalität nicht mehr benötigt wird.
element.addEventListener("click", handleClick);
// Proper cleanup when no longer needed
element.removeEventListener("click", handleClick);- Timer löschen: Wenn von
setTimeoutOdersetIntervalWenn Sie sie verwenden, denken Sie daran, sie nach Gebrauch zu reinigen, um eine unnötige Speicherung von Daten zu vermeiden.
var interval = setInterval(function () {
console.log('Doing something...');
}, 1000);
// Clear the interval when done
clearInterval(interval);Schwache Referenzen
Eine weitere fortgeschrittene Technik ist die Verwendung von Schwachkarte Oder Schwachset Es dient der Verwaltung von Objekten, die vom Garbage Collector automatisch bereinigt werden, sobald sie im Code nicht mehr referenziert werden. Mithilfe dieser Strukturen können Sie auf Objekte verweisen, ohne deren Bereinigung durch den Garbage Collector zu verhindern.
let myWeakMap = new WeakMap();
let obj = {};
myWeakMap.set(obj, "someValue");
// If obj gets dereferenced somewhere else, it will be garbage-collected.
obj = null;Ergebnis
Nach Abschluss unserer Diskussion über synchrone und asynchrone Programmiermodelle ist deutlich geworden, dass jedes seine eigenen Vorteile bietet und sich daher für bestimmte Situationen eignet. Da die synchrone Programmierung sequenziell und nicht blockierend arbeitet, ist sie leicht verständlich und ideal für Aufgaben, die linear ausgeführt werden müssen.
Asynchrone Programmierung hingegen, bekannt für ihre nicht-blockierende Natur und die Fähigkeit, mehrere Aufgaben gleichzeitig auszuführen, eignet sich am besten, wenn Reaktionsfähigkeit und Leistung gefragt sind, insbesondere bei E/A-abhängigen Operationen. Die Wahl des Ansatzes hängt von Ihrem Verständnis der Anwendungsanforderungen, der Leistungsprobleme und der gewünschten Benutzererfahrung ab.
