Programación sincrónica vs. asincrónica

Introducción

Decidir entre modelos de programación síncrona y asíncrona no es solo una cuestión técnica en el desarrollo de software; afecta la forma en que las aplicaciones interactúan, completan tareas y responden a la entrada del usuario. Tenga en cuenta que elegir el modelo adecuado puede determinar el éxito o el fracaso de un proyecto, especialmente al comparar ambos paradigmas. El objetivo de este artículo es aclarar la confusión en torno a estos conceptos, distinguiendo claramente entre programación síncrona y asíncrona, y explicando sus ventajas, desventajas y mejores prácticas. Al comprender a fondo cada estrategia, los desarrolladores pueden tomar decisiones inteligentes y adaptar su enfoque a las necesidades de sus aplicaciones.

Comprensión de la programación concurrente

¿Qué es la programación concurrente?

En la programación concurrente, las tareas se ejecutan secuencialmente. Como en un libro, se empieza por el principio y se lee cada palabra y línea. La programación concurrente requiere que cada tarea se complete antes de que pueda comenzar la siguiente. El flujo de control es predecible y simple.

El sistema puede bloquearse o dejar de responder si una tarea tarda demasiado. El comportamiento de bloqueo es una de las características principales de la programación concurrente.

¿Cómo funciona?

El modelo de programación concurrente ejecuta las operaciones linealmente. Este proceso se simplifica de la siguiente manera:

• La ejecución del programa es secuencial.
• Las tareas se ejecutan en el orden del código.
• De arriba a abajo, se ejecuta cada línea de código.

Si una tarea requiere mucho tiempo, como leer un archivo grande o esperar la intervención humana, el programa se bloqueará hasta que se complete. Bloqueos de programación concurrente.

Casos de uso donde destaca la programación concurrente

La programación concurrente es especialmente útil en escenarios donde las tareas deben ejecutarse en un orden específico. Por ejemplo, si quieres hornear un pastel, no puedes meterlo al horno antes de mezclar los ingredientes. De igual forma, en una aplicación, podrías necesitar recuperar datos de una base de datos antes de poder procesarlos.

Ejemplo: Lectura secuencial de un archivo

A continuación se muestra un ejemplo de cómo funciona la programación concurrente en el contexto de la lectura de archivos:

function readFilesSequentially(fileList) {
for each file in fileList {
content = readFile(file) // This is a blocking operation
process(content)
}
}

En este pseudocódigo, la función readFile(archivo) Es una operación sincrónica. Función proceso(contenido) Hasta readFile(archivo) No ha terminado de leer el archivo por completo; no se ejecutará. Esto demuestra claramente la naturaleza secuencial y bloqueante de la programación concurrente.

Revisión de programación asincrónica

¿Qué es la programación asincrónica?

La programación asíncrona es un paradigma que permite la ejecución simultánea de tareas, en lugar de secuencialmente. Esto significa que la ejecución del programa no necesita esperar a que una tarea se complete para pasar a la siguiente. Es como estar en un bufé: no hay que esperar a que alguien termine de comer para poder empezar.

En la programación asincrónica, las tareas suelen iniciarse y luego reservarse para permitir la ejecución de otras. Una vez finalizada la tarea principal, se puede reanudar desde donde se dejó. Esta propiedad no bloqueante es una de las características clave de la programación asincrónica.

¿Cómo funciona?

Ejecución simultánea: Uno de los aspectos principales de la programación asíncrona es la capacidad de ejecutar múltiples tareas simultáneamente. Esto puede generar mejoras significativas en la eficiencia y el rendimiento de las aplicaciones, especialmente en escenarios donde las tareas son independientes o requieren la espera de recursos externos, como las solicitudes de red.

Naturaleza no bloqueante: La programación asincrónica no bloquea el resto del programa porque no espera tareas de larga duración, como las operaciones de E/S. En la programación de interfaces de usuario, esto puede mejorar la experiencia y la capacidad de respuesta del usuario.

Casos de uso en los que se debe utilizar programación asincrónica

Las tareas que dependen de E/S suelen programarse de forma asíncrona. En el desarrollo web, se pueden usar tareas asíncronas para enviar solicitudes a la API, acceder a bases de datos y gestionar la entrada del usuario sin interrumpir el hilo principal.

Ejemplo: peticiones AJAX en desarrollo web con pseudocódigo

Se puede usar programación asíncrona para enviar solicitudes AJAX en el desarrollo web. Vea el siguiente ejemplo:

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);
});
}

En el pseudocódigo anterior, la función asyncFetch(url) Es una operación asincrónica. Función displayData(respuesta) Hasta asyncFetch(url) El proceso no ha terminado de recibir datos; no se está ejecutando. Mientras tanto, otro código puede seguir ejecutándose en segundo plano, lo que demuestra la naturaleza no bloqueante de la programación asincrónica.

Comparación de la programación asincrónica y sincrónica

Las diferencias entre la programación sincrónica y asincrónica en términos de rendimiento, ejecución del programa y tiempo de ejecución son las siguientes:

Ejecución del programa

Simultáneamente: En un sistema concurrente, las tareas se ejecutan secuencialmente, una tras otra. Como resultado, el flujo de control es fácil de predecir e implementar.

Asincrónico: En un entorno asincrónico, las tareas pueden ejecutarse simultáneamente. Esto significa que el software no necesita esperar a que una tarea se complete para pasar a la siguiente.

Actuación

Simultáneamente: Con la ejecución concurrente, si una tarea tarda demasiado en completarse, todo el sistema puede congelarse o dejar de responder.

Asincrónico: La naturaleza no bloqueante de la programación asincrónica puede conducir a una experiencia de usuario más receptiva y fluida, especialmente en el contexto del desarrollo de la interfaz de usuario.

Ocasión de programas

Simultáneamente: Ideal para situaciones que requieren que los pasos se realicen en un orden predeterminado.

Asincrónico: Las tareas se consideran asincrónicas cuando dependen de E/S en lugar de de la CPU.

Cuándo utilizar programación asincrónica

• Aplicaciones basadas en web: Para evitar que se interrumpa el hilo principal, se pueden utilizar tareas asincrónicas para realizar operaciones como realizar solicitudes de API.
• Gestión de bases de datos: Las operaciones de lectura y escritura de datos pueden consumir mucho tiempo y no es necesario completarlas antes de poder realizar otras tareas.
• Programación de interfaz de usuario: La programación asincrónica permite una experiencia de usuario más fluida y receptiva al gestionar la entrada del usuario.
• Operaciones de E/S de archivos: En general, las operaciones de E/S de archivos que consumen mucho tiempo no necesitan finalizar antes de continuar con el siguiente paso.

Bucle de eventos y pila de llamadas

En JavaScript, trabajar eficazmente con código asíncrono requiere comprender el bucle de eventos y su pila de llamadas. En pocas palabras, aquí es donde la pila de llamadas ejecuta el código en orden. Las tareas concurrentes se ejecutan primero y, finalmente, el bucle de eventos puede ejecutar cualquier instrucción de código asíncrono, como establecer tiempo de espera O manejar solicitudes de API después de procesar el código de forma sincrónica.

Así es como JavaScript parece realizar muchas tareas a la vez, aunque técnicamente es de un solo subproceso. Mientras se ejecutan estas operaciones asíncronas, el bucle de eventos garantiza que todos los datos se procesen de forma oportuna sin bloquear el subproceso principal.

Comprender cómo interactúan el bucle de eventos y la pila de llamadas nos ayuda a escribir mejor código asincrónico y evitar problemas comunes como el congelamiento de la interfaz de usuario o interacciones extremadamente lentas.

Programación asincrónica con trabajadores web

La siguiente herramienta que es muy útil para gestionar tareas de forma asincrónica es Trabajadores web Nos permiten ejecutar JavaScript en segundo plano sin bloquear el hilo principal, lo cual resulta muy útil para el rendimiento y las tareas que necesitamos realizar, como cálculos complejos o la recuperación de grandes cantidades de datos. Los Web Workers nos proporcionan concurrencia real, lo que significa que podemos transferir trabajo pesado a otro hilo y mantener el hilo principal a cargo. Sin embargo, es importante tener en cuenta que los Workers no tienen acceso al DOM y, por lo tanto, son más adecuados para tareas que no requieren actualizaciones directas de la interfaz de usuario.

A continuación se muestra un ejemplo rápido de cómo utilizar 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");
};

Cuándo utilizar programación concurrente

• Recibir y procesar datos secuencialmente: Para algunas aplicaciones, recuperar datos de una base de datos es un requisito previo para procesar esos datos.
• Escritura de guiones básicos: Al trabajar con scripts pequeños, la programación concurrente puede ser más fácil de entender y depurar.
• Tareas dependientes de la CPU: Realizar operaciones pesadas que dependen de la CPU. La programación concurrente puede ser más eficiente para tareas que dependen de la CPU que para las que dependen de E/S.

Ejemplos prácticos en código

Ejemplo de código concurrente: Procesamiento de una lista de tareas secuencialmente

En la programación concurrente, las tareas se procesan secuencialmente. A continuación, se muestra un ejemplo en 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)

Las tareas se ejecutan secuencialmente mediante este método concurrente. proceso_datos_usuario Se procesan. Si una tarea tarda mucho en completarse, las tareas posteriores deben esperar debido a este procesamiento secuencial, lo que puede causar retrasos. El rendimiento de la aplicación y la experiencia del usuario pueden verse afectados debido a este problema.

Ejemplo de código asincrónico: recepción de datos de varias fuentes simultáneamente

Por el contrario, la programación asincrónica permite procesar tareas simultáneamente. Aquí hay un ejemplo en Python que utiliza la biblioteca asincronía Se da:

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())

El método asíncrono inicia varios procesos simultáneamente. Esto garantiza que la aplicación pueda pasar de una tarea a otra sin interrupciones. De esta forma, podemos mejorar el rendimiento de la aplicación y la experiencia del usuario. Sin embargo, la gestión de tareas y devoluciones de llamadas puede dificultar la implementación.

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 stack

Pila de llamadas:

Función console.log('Inicio') Se ejecuta primero porque es una operación síncrona. La función se procesa y se elimina inmediatamente de la pila de llamadas.

Función establecerTiempo de espera() Es una función asincrónica, por lo que su devolución de llamada es console.log('Devolución de llamada de tiempo de espera') Se retrasa y se envía al bucle de eventos para que se ejecute después de 1 segundo (1000 milisegundos), pero en sí mismo establecerTiempo de espera() No bloquea la ejecución del código.

Entonces console.log('Fin') Se ejecuta porque es una operación concurrente que está en el hilo principal.

Bucle de eventos:

Después de realizar tareas simultáneas (como console.log('Inicio') y console.log('Fin')) se ejecutan, el bucle de eventos espera un retraso de 1 segundo y luego se le da la devolución de llamada asincrónica. establecer tiempo de espera Procesos.

Una vez que la devolución de llamada está lista, el bucle de eventos la envía a la pila de llamadas y luego se ejecuta. ''Devolución de llamada de tiempo de espera'' Huellas dactilares.

Producción:

Start
End
Timeout callback

Este ejemplo muestra cómo JavaScript ejecuta primero las tareas sincrónicas y luego procesa las tareas asincrónicas utilizando el bucle de eventos después de que se borra la pila de llamadas principal.

Mejores prácticas y patrones para utilizar eficazmente cada modelo de programación

Programación concurrente

• Úselo cuando la simplicidad sea importante: La programación concurrente es simple y comprensible, por lo que es ideal para tareas y scripts simples.
• Evítelo para tareas dependientes de E/S: La programación concurrente puede bloquear el hilo en ejecución mientras espera operaciones de E/S (como solicitudes de red o lecturas/escrituras de disco). Utilice la programación asíncrona para estas tareas a fin de evitar el bloqueo.

Programación asincrónica

• Úselo para tareas dependientes de E/S: La programación asíncrona funciona de maravilla cuando se trabaja con tareas que dependen de E/S. Permite que el hilo en ejecución continúe realizando otras tareas mientras espera a que se complete la operación de E/S.
• Preste atención a los recursos comunes: La programación asíncrona puede generar condiciones de carrera si varias tareas acceden y modifican recursos compartidos. Para evitar este problema, utilice mecanismos de sincronización como bloqueos o semáforos.

Patrones de diseño comunes

Programación concurrente

El patrón más común en la programación concurrente es el patrón de ejecución secuencial, en el que las tareas se ejecutan una tras otra.

Programación asincrónica

• Promesas: Las promesas representan un valor que podría no estar disponible aún. Se utilizan para gestionar operaciones asincrónicas y proporcionan métodos para adjuntar devoluciones de llamada que se ejecutan cuando el valor está disponible o cuando se produce un error.
• Asíncrono/Espera: Esta característica es una especie de complemento sintáctico adicional a las promesas que hace que el código asincrónico se parezca al código sincrónico. Esto facilita su escritura y comprensión.

Cómo evitar problemas comunes

El infierno de las devoluciones de llamadas

«El "infierno de las devoluciones de llamadas" se refiere a la anidación de llamadas que hace que el código sea ilegible e ininteligible. Aquí hay algunas maneras de evitarlo:

• Modulariza tu código: Divida su código en funciones más pequeñas y reutilizables.
• Usando promesas o Async/Await: Estas características de JavaScript pueden limpiar su código y hacerlo más legible y comprensible.
• Manejo de errores: Considere siempre la gestión de errores en sus devoluciones de llamada. Los errores no gestionados pueden generar resultados impredecibles.

Programación asincrónica: gestión de memoria

Quiero compartir algunos consejos sobre cómo administrar eficazmente la memoria cuando se trabaja con programación asincrónica, ya que un manejo inadecuado puede generar problemas de rendimiento como pérdidas de memoria.

Gestión de memoria en programación asincrónica

Al trabajar con código asincrónico, es fundamental prestar atención a cómo se asigna y se limpia la memoria. Esto se refiere a tareas o promesas de larga duración que permanecen sin resolver y que pueden provocar fugas de memoria si no se gestionan correctamente.

Recolección de basura

En JavaScript, la memoria es administrada por el recolector de elementos no utilizados. Este recolector limpia automáticamente la memoria que el programa ya no utiliza. Sin embargo, al usar programación asíncrona, si no se tiene cuidado, puede quedar más memoria de la necesaria. Por ejemplo, las promesas que nunca se resuelven, los detectores de eventos que aún están asociados o los temporizadores en ejecución pueden ocupar grandes cantidades de memoria.

Causas comunes de fugas de memoria en código asincrónico

• Promesas sin resolver: Si una promesa nunca se resuelve o se rechaza, puede impedir que se limpie la memoria.

let pendingPromise = new Promise(function (resolve, reject) {
// This promise never resolves
});

• Oyentes de eventos: Es fácil olvidarse de eliminar un detector de eventos cuando ya no se necesita. Esto provoca un consumo innecesario de memoria.

element.addEventListener("click", handleClick);
// Forgetting to remove the listener
// element.removeEventListener('click', handleClick);

• Temporizadores: Uso de establecer tiempo de espera O establecerIntervalo No borrarlos cuando ya no son necesarios puede provocar que la memoria se conserve durante más tiempo del necesario.

var timer = setInterval(function () {
console.log("Running.");
}, 1000);
// Forgetting to clear the interval
// clearInterval(timer);

Mejores prácticas para prevenir fugas de memoria

• Promesas, resolver o rechazar: Una promesa debe ser resuelta o rechazada para garantizar que su memoria se libere cuando ya no sea necesaria.

let myPromise = new Promise((resolve, reject) =>
setTimeout(() => {
resolve("Task complete");
}, 1000),
);
myPromise.then((result) => console.log(result));

• Eliminación de oyentes de eventos: Una vez que se adjuntan los escuchas de eventos, elimínelos cuando ya no sean necesarios, ya sea porque se ha eliminado el elemento correspondiente o porque su funcionalidad ya no es necesaria.

element.addEventListener("click", handleClick);
// Proper cleanup when no longer needed
element.removeEventListener("click", handleClick);

• Temporizadores claros: Si de establecer tiempo de espera O establecerIntervalo Si los utiliza, recuerde limpiarlos cuando termine para evitar una retención de memoria innecesaria.

var interval = setInterval(function () {
console.log('Doing something...');
}, 1000);
// Clear the interval when done
clearInterval(interval);

Referencias débiles

Otra técnica avanzada es utilizar Mapa débil O Conjunto débil Sirve para administrar objetos que el recolector de elementos no utilizados puede limpiar automáticamente cuando ya no se referencian en el código. Estas estructuras permiten referenciar objetos sin impedir que el recolector de elementos no utilizados los limpie.

let myWeakMap = new WeakMap();
let obj = {};
myWeakMap.set(obj, "someValue");
// If obj gets dereferenced somewhere else, it will be garbage-collected.
obj = null;

Resultado

Tras concluir nuestra discusión sobre los modelos de programación síncrona y asíncrona, es evidente que cada uno presenta ventajas que lo hacen adecuado para ciertas situaciones. Dado que la programación síncrona opera de forma secuencial y sin bloqueos, es fácil de entender y resulta ideal para tareas que requieren una ejecución lineal.

Por otro lado, la programación asíncrona, conocida por su naturaleza no bloqueante y su capacidad para ejecutar múltiples tareas simultáneamente, funciona mejor cuando se requiere capacidad de respuesta y rendimiento, especialmente para operaciones que dependen de la E/S. El uso de cualquiera de estos enfoques depende de su comprensión de las necesidades de la aplicación, los problemas de rendimiento y la experiencia de usuario deseada.