Введение
Выбор между синхронной и асинхронной моделями программирования — это не просто технический вопрос в разработке программного обеспечения; он влияет на взаимодействие приложений, выполнение задач и реакцию на действия пользователя. Помните, что выбор правильной модели может определить успех или неудачу проекта, особенно при сравнении двух парадигм. Цель этой статьи — прояснить некоторую путаницу, связанную с этими концепциями, проведя чёткое различие между синхронным и асинхронным программированием и объяснив их преимущества, недостатки и рекомендации. Тщательно изучив каждую стратегию, разработчики смогут принимать обоснованные решения и адаптировать свой подход к потребностям своих приложений.
Понимание параллельного программирования
Что такое параллельное программирование?
В параллельном программировании задачи выполняются последовательно. Как в книге, вы начинаете с начала и читаете каждое слово и каждую строку. Параллельное программирование требует завершения каждой задачи, прежде чем можно будет начать следующую. Поток управления предсказуем и прост.
Система может зависнуть или перестать отвечать, если задача выполняется слишком долго. Блокирующее поведение — одна из важных особенностей параллельного программирования.
Как это работает?
В модели параллельного программирования операции выполняются линейно. Этот процесс упрощается следующим образом:
- Выполнение программы последовательное.
- Задачи выполняются в порядке кода.
- Каждая строка кода выполняется сверху вниз.
Если задача занимает много времени, например, чтение большого файла или ожидание ввода данных человеком, программа блокируется до завершения задачи. Блокировки параллельного программирования.
Случаи, когда параллельное программирование особенно эффективно
Параллельное программирование особенно полезно в сценариях, где задачи должны выполняться в определённом порядке. Например, если вы хотите испечь торт, вы не сможете поставить его в духовку, пока не смешаете ингредиенты. Аналогично, в приложении может потребоваться извлечь данные из базы данных перед их обработкой.
Пример: последовательное чтение файла
Вот пример того, как работает параллельное программирование в контексте чтения файлов:
function readFilesSequentially(fileList) {
for each file in fileList {
content = readFile(file) // This is a blocking operation
process(content)
}
}В этом псевдокоде функция readFile(файл) Это синхронная операция. Функция процесс(содержание) До readFile(файл) Файл не прочитан полностью, поэтому он не будет выполнен. Это наглядная демонстрация последовательной и блокирующей природы параллельного программирования.
Обзор асинхронного программирования
Что такое асинхронное программирование?
Асинхронное программирование — это парадигма, позволяющая выполнять задачи одновременно, а не последовательно. Это означает, что программе не нужно ждать завершения одной задачи, чтобы перейти к следующей. Это как в буфете: вам не нужно ждать, пока кто-то закончит есть, чтобы начать.
В асинхронном программировании задачи часто запускаются, а затем откладываются, чтобы дать возможность другим задачам выполниться. После завершения основной задачи её можно возобновить с того места, где она была прервана. Это свойство неблокируемости — одна из ключевых особенностей асинхронного программирования.
Как это работает?
Одновременное исполнение: Одним из основных аспектов асинхронного программирования является возможность одновременного выполнения нескольких задач. Это может привести к значительному повышению эффективности и производительности приложений, особенно в сценариях, где задачи независимы или требуют ожидания внешних ресурсов, таких как сетевые запросы.
Неблокирующий характер: Асинхронное программирование не блокирует остальную часть программы, поскольку не ожидает выполнения длительных задач, таких как операции ввода-вывода. В программировании пользовательского интерфейса это может улучшить пользовательский опыт и скорость отклика.
Случаи, когда следует использовать асинхронное программирование
Задачи, зависящие от ввода-вывода, часто программируются асинхронно. Асинхронные задачи могут использоваться в веб-разработке для отправки API-запросов, доступа к базам данных и обработки пользовательского ввода без прерывания основного потока.
Пример: AJAX-запросы в веб-разработке с псевдокодом
Асинхронное программирование можно использовать для отправки AJAX-запросов в веб-разработке. См. следующий пример:
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);
});
}В приведенном выше псевдокоде функция asyncFetch(url) Это асинхронная операция. Функция displayData(ответ) До asyncFetch(url) Процесс не завершил получение данных и не выполняется. При этом другой код может продолжать выполняться в фоновом режиме, демонстрируя неблокирующий характер асинхронного программирования.
Сравнение асинхронного и синхронного программирования
Различия между синхронным и асинхронным программированием с точки зрения производительности, выполнения программы и времени выполнения заключаются в следующем:
Выполнение программы
Одновременно: В конкурентной системе задачи выполняются последовательно, одна за другой. Благодаря этому поток управления легко прогнозировать и реализовать.
Асинхронный: В асинхронной среде задачи могут выполняться одновременно. Это означает, что программе не нужно ждать завершения одной задачи, чтобы перейти к следующей.
Производительность
Одновременно: При параллельном выполнении, если выполнение задачи занимает слишком много времени, вся система может зависнуть или перестать отвечать.
Асинхронный: Неблокирующая природа асинхронного программирования может привести к более отзывчивому и бесперебойному пользовательскому опыту, особенно в контексте разработки пользовательского интерфейса.
Повод программ
Одновременно: Идеально подходит для ситуаций, требующих выполнения действий в заранее определенном порядке.
Асинхронный: Задачи считаются асинхронными, если они зависят от ввода-вывода, а не от процессора.
Когда использовать асинхронное программирование
- Веб-приложения: Чтобы предотвратить прерывание основного потока, можно использовать асинхронные задачи для выполнения таких операций, как отправка запросов к API.
- Управление базой данных: Операции чтения и записи данных могут занимать много времени и не должны быть завершены до начала выполнения других задач.
- Программирование пользовательского интерфейса: Асинхронное программирование обеспечивает более отзывчивый и гибкий пользовательский интерфейс при обработке пользовательского ввода.
- Операции файлового ввода-вывода: Как правило, длительные операции ввода-вывода файлов не обязательно завершать перед переходом к следующему шагу.
Цикл событий и стек вызовов
В JavaScript для эффективной работы с асинхронным кодом требуется понимание цикла событий и его стека вызовов. Проще говоря, это место, где стек вызовов выполняет код по порядку. Параллельные задачи выполняются первыми, а цикл событий наконец получает возможность выполнить любые асинхронные операторы кода, такие как setTimeout Или обрабатывать запросы API после синхронной обработки кода.
Таким образом, JavaScript выполняет множество действий одновременно, хотя технически он однопоточен. Пока эти асинхронные операции выполняются, цикл событий обеспечивает своевременную обработку всех данных, не блокируя основной поток.
Понимание того, как взаимодействуют цикл событий и стек вызовов, помогает нам писать более качественный асинхронный код и избегать распространенных проблем, таких как зависание пользовательского интерфейса или чрезвычайно медленное взаимодействие.
Асинхронное программирование с использованием веб-воркеров
Следующий инструмент, который очень полезен для асинхронного управления задачами, — это Веб-работники Они позволяют запускать JavaScript в фоновом режиме, не блокируя основной поток, что очень полезно для производительности и решения таких задач, как сложные вычисления или извлечение больших объёмов данных. Веб-воркеры обеспечивают настоящий параллелизм, то есть мы можем перенести тяжёлую работу в другой поток, оставив основной поток ответственным. Однако следует помнить, что у воркеров нет доступа к DOM, поэтому они лучше подходят для задач, не требующих прямого обновления пользовательского интерфейса.
Вот краткий пример использования 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");
};Когда использовать параллельное программирование
- Получайте и обрабатывайте данные последовательно: Для некоторых приложений извлечение данных из базы данных является необходимым условием для их обработки.
- Написание базовых сценариев: При работе с небольшими скриптами параллельное программирование может быть проще для понимания и отладки.
- Задачи, зависящие от ЦП: Выполнение ресурсоёмких операций, требующих высокой производительности ЦП. Параллельное программирование может быть более эффективным для задач, требующих высокой производительности ЦП, чем для задач, требующих ввода-вывода.
Практические примеры в коде
Пример параллельного кода: последовательная обработка списка задач
В параллельном программировании задачи обрабатываются последовательно. Вот пример на 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)Задачи выполняются последовательно с помощью этого параллельного метода. process_userData Если задача выполняется слишком долго, последующие задачи вынуждены ждать из-за этой последовательной обработки, что может привести к задержкам. Из-за этой проблемы производительность приложения и удобство использования могут пострадать.
Пример асинхронного кода: одновременный прием данных из нескольких источников
В отличие от этого, асинхронное программирование позволяет обрабатывать задачи одновременно. Вот пример на Python с использованием библиотеки асинхио Дано:
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())Асинхронный метод запускает несколько процессов одновременно. Это обеспечивает бесперебойный переход приложения от одной задачи к другой. Это повышает производительность приложения и удобство использования. Однако управление задачами и обратными вызовами может усложнить реализацию.
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 stackСтек вызовов:
Функция console.log('Старт') Она выполняется первой, поскольку это синхронная операция. Функция обрабатывается и немедленно удаляется из стека вызовов.
Функция setTimeout() Это асинхронная функция, поэтому ее обратный вызов console.log('Обратный вызов по тайм-ауту') Он задерживается и отправляется в цикл событий для выполнения через 1 секунду (1000 миллисекунд), но сам setTimeout() Он не блокирует выполнение кода.
Затем console.log('Конец') Он выполняется, потому что это параллельная операция, которая находится в основном потоке.
Цикл событий:
После выполнения параллельных задач (таких как console.log('Старт') и console.log('Конец')) выполняются, цикл событий ждет 1-секундную задержку, а затем асинхронный обратный вызов, заданный setTimeout Процессы.
Как только обратный вызов готов, цикл событий помещает его в стек вызовов, а затем выполняется. 'Обратный вызов по тайм-ауту' Отпечатки.
Выход:
Start
End
Timeout callbackВ этом примере показано, как JavaScript сначала выполняет синхронные задачи, а затем обрабатывает асинхронные задачи с использованием цикла событий после очистки основного стека вызовов.
Лучшие практики и шаблоны для эффективного использования каждой модели программирования
Параллельное программирование
- Используйте, когда важна простота: Параллельное программирование простое и понятное, поэтому оно идеально подходит для простых задач и сценариев.
- Избегайте его для задач, зависящих от ввода-вывода: Параллельное программирование может блокировать выполняющийся поток в ожидании операций ввода-вывода (например, сетевых запросов или чтения/записи на диск). Чтобы избежать блокировки, используйте асинхронное программирование для таких задач.
Асинхронное программирование
- Используйте для задач, зависящих от ввода-вывода: Асинхронное программирование отлично работает при работе с задачами, зависящими от ввода-вывода. Оно позволяет выполняющемуся потоку продолжать выполнять другие задачи, ожидая завершения операции ввода-вывода.
- Обратите внимание на общие ресурсы: Асинхронное программирование может привести к возникновению состояния гонки, если несколько задач обращаются к общим ресурсам и изменяют их. Чтобы избежать этой проблемы, используйте механизмы синхронизации, такие как блокировки или семафоры.
Распространенные шаблоны проектирования
Параллельное программирование
Наиболее распространенной моделью параллельного программирования является модель последовательного выполнения, при которой задачи выполняются одна за другой.
Асинхронное программирование
- Обещания: Обещания представляют собой значение, которое может быть ещё недоступно. Они используются для обработки асинхронных операций и предоставляют методы для подключения обратных вызовов, которые вызываются, когда значение становится доступным или при возникновении ошибки.
- Асинхронный/ожидающий: Эта функция — своего рода синтаксическая «фишка» поверх обещаний, которая делает асинхронный код похожим на синхронный. Это упрощает написание и понимание асинхронного кода.
Как избежать распространенных проблем
Обратный ад
«Ад обратных вызовов» — это вложенность вызовов, которая делает код нечитаемым и непонятным. Вот несколько способов избежать этого:
- Модулируйте свой код: Разделите свой код на более мелкие функции, пригодные для повторного использования.
- Использование Promises или Async/Await: Эти функции JavaScript могут очистить ваш код и сделать его более читабельным и понятным.
- Обработка ошибок: Всегда учитывайте обработку ошибок в обратных вызовах. Необработанные ошибки могут привести к непредсказуемым результатам.
Асинхронное программирование – Управление памятью
Я хочу поделиться несколькими советами о том, как эффективно управлять памятью при работе с асинхронным программированием, поскольку неправильное обращение с ней может привести к проблемам с производительностью, таким как утечки памяти.
Управление памятью в асинхронном программировании
При работе с асинхронным кодом очень важно обращать внимание на то, как выделяется и очищается память. Это касается длительно выполняемых задач или обещаний, которые остаются невыполненными и могут привести к утечкам памяти при неправильном управлении.
Сбор мусора
В JavaScript памятью управляет сборщик мусора. Сборщик мусора автоматически очищает память, которая больше не используется программой. Но при использовании асинхронного программирования, если не соблюдать осторожность, может остаться больше памяти, чем необходимо. Например, обещания, которые никогда не будут выполнены, прослушиватели событий, которые всё ещё подключены, или работающие таймеры могут занимать большие объёмы памяти.
Распространенные причины утечек памяти в асинхронном коде
- Невыполненные обещания: Если обещание не будет выполнено или отклонено, это может помешать очистке памяти.
let pendingPromise = new Promise(function (resolve, reject) {
// This promise never resolves
});- Прослушиватели событий: Легко забыть удалить прослушиватель событий, когда он больше не нужен. Это приводит к ненужному расходу памяти.
element.addEventListener("click", handleClick);
// Forgetting to remove the listener
// element.removeEventListener('click', handleClick);- Таймеры: Использование
setTimeoutИлиsetIntervalНеудаление их, когда они больше не нужны, может привести к тому, что память будет сохраняться дольше, чем необходимо.
var timer = setInterval(function () {
console.log("Running.");
}, 1000);
// Forgetting to clear the interval
// clearInterval(timer);Лучшие практики по предотвращению утечек памяти
- Обещания, разрешите или отклоните: Обещание должно быть выполнено или отклонено, чтобы гарантировать освобождение памяти, когда оно больше не понадобится.
let myPromise = new Promise((resolve, reject) =>
setTimeout(() => {
resolve("Task complete");
}, 1000),
);
myPromise.then((result) => console.log(result));- Удаление прослушивателей событий: После присоединения прослушивателей событий удалите их, когда они больше не нужны, либо потому, что соответствующий элемент был удален, либо его функциональность больше не нужна.
element.addEventListener("click", handleClick);
// Proper cleanup when no longer needed
element.removeEventListener("click", handleClick);- Очистить таймеры: Если из
setTimeoutИлиsetIntervalЕсли вы их используете, не забудьте удалить их после завершения работы, чтобы избежать ненужного сохранения памяти.
var interval = setInterval(function () {
console.log('Doing something...');
}, 1000);
// Clear the interval when done
clearInterval(interval);Слабые ссылки
Другой продвинутый метод — использовать WeakMap Или WeakSet Она предназначена для управления объектами, которые могут быть автоматически удалены сборщиком мусора, когда на них больше нет ссылок в коде. Эти структуры позволяют ссылаться на объекты, не препятствуя их удалению сборщиком мусора.
let myWeakMap = new WeakMap();
let obj = {};
myWeakMap.set(obj, "someValue");
// If obj gets dereferenced somewhere else, it will be garbage-collected.
obj = null;Результат
Завершив обсуждение моделей синхронного и асинхронного программирования, очевидно, что каждая из них имеет свои преимущества, делающие её подходящей для определённых ситуаций. Поскольку синхронное программирование работает последовательно и без блокировок, оно легко для понимания и отлично подходит для задач, требующих линейного выполнения.
С другой стороны, асинхронное программирование, известное своей неблокируемостью и способностью выполнять несколько задач одновременно, лучше всего подходит, когда требуются высокая скорость отклика и производительность, особенно для операций, зависящих от ввода-вывода. Использование того или иного подхода зависит от вашего понимания потребностей приложения, проблем производительности и желаемого пользовательского опыта.
