異步編程需要“意識(shí)”

雖然我們生活在一個(gè)異步的世界里，但對(duì)于多數(shù)編程初學(xué)者來說，異步還是很陌生。學(xué)習(xí)一門編程語(yǔ)言，通常都是從同步流程開始的，即順序、分支和循環(huán)。而異步流程是什么呢——開始一個(gè)異步調(diào)用，然后……就沒有然后了。異步程序跑哪去了？

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異步程序會(huì)以某種異步的形式在運(yùn)行著，比如多線程、異步IO等，直到處理完成。那如果需要處理結(jié)果怎么辦？給一個(gè)程序入口，讓它處理完當(dāng)前過程之后，把處理結(jié)果送到這個(gè)入口，然后執(zhí)行另一段程序——俗稱回調(diào)?；卣{(diào)一般使用 callback 這個(gè)名稱，不過有時(shí)候我更喜歡使用 next，因?yàn)樗碇乱粋€(gè)處理步驟。

同步和異步的概念

現(xiàn)在我們接觸到了一些概念，比如同步和異步，它們是什么？

這兩個(gè)概念并不來源于編程語(yǔ)言，而是來源于低層指令，甚至更低層的——電路。它們是基于時(shí)序的兩個(gè)概念，其中，“步”是指步調(diào)，所以同步表示相同的步調(diào)，而異步表示不同的步調(diào)。當(dāng)然這兩個(gè)概念提升到程序這個(gè)級(jí)別的時(shí)候，精確的意思與時(shí)鐘無關(guān)，但所表示的意義仍然未變。

同步

舉個(gè)生活中的例子來說明這個(gè)問題——排除買票。售票廳開了一個(gè)窗口，有一隊(duì)人在排隊(duì)依次買票。這個(gè)隊(duì)伍中，前面一個(gè)人往前走了一步，后面的人才能往前走一步；前面的人在等待，后面的人就一定在等待。那么在理想的情況下，所有人可以同時(shí)向前邁步。OK，大家步伐一致，稱為同步。

這里把售票窗口看作是處理器，每個(gè)人看作是等待執(zhí)行的指令，買票這個(gè)動(dòng)作就是在執(zhí)行指令。它的特點(diǎn)是按步就班，如果一個(gè)人買票時(shí)間過長(zhǎng)（指令執(zhí)行時(shí)間過長(zhǎng)），就會(huì)造成阻塞。

異步（多線程）

現(xiàn)在買票的人漸漸多起來，所以售票廳多開了幾個(gè)窗口同時(shí)售票。每個(gè)單獨(dú)的隊(duì)伍仍然保持著同步，但不同的隊(duì)伍之間，步伐不再一致，稱為異步。A 隊(duì)列售票很順利，隊(duì)伍在有序快速的前進(jìn)，但 B 隊(duì)列的某個(gè)顧客似乎在付費(fèi)時(shí)遇到點(diǎn)麻煩，花了很長(zhǎng)的時(shí)候，造成阻塞，但這對(duì) A 隊(duì)列并不產(chǎn)生影響。

這時(shí)候的售票廳可以看作是在以多線程的方式運(yùn)行著異步程序。從這個(gè)例子可以看到異步的兩個(gè)特點(diǎn)：其一，兩個(gè)異步流程之間相互獨(dú)立，它們相互不會(huì)阻塞（有個(gè)前提，不需要等待共享資源的情況下）；其二，異步程序內(nèi)部仍然是同步的。

異步（IO）

上面的例子比較符合多線程異步的情況。那 IO 異步又是什么樣呢？

年底了，M 在準(zhǔn)備年終匯報(bào)的資料，這可是個(gè)緊張的工作（CPU），要收集不少數(shù)據(jù)來寫好些文案。為了其中一份文案，M 需要車間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，但跑一趟車間（IO）可需要花不少時(shí)間，所以他讓 N 去車間收集數(shù)據(jù)，自己則繼續(xù)寫其它方案，同時(shí)等 N 把數(shù)據(jù)收集回來（啟動(dòng)異步程序）。半天以后，N 帶回了數(shù)據(jù)（插入事件消息），M 繼續(xù)完成手上的文案（完成當(dāng)前事件循環(huán)），之后使用 N 帶回來的數(shù)據(jù)開始撰寫關(guān)于車間的報(bào)告（新的事件循環(huán)）……

IO 的處理速度比 CPU 慢得多，所以 IO 異步讓 CPU 不必閑置著等待 IO 操作完成。當(dāng) IO 操作完成之后，CPU 會(huì)適地使用 IO 操作結(jié)果繼續(xù)工作。

同步邏輯和異步邏輯

回到程序上來，我們以一個(gè)函數(shù)的處理過程來描述同步和異步的處理方式。

同步邏輯

那么，同步處理過程是：

接受輸入 ? 處理 ? 產(chǎn)生輸出

用一段偽代碼來描述就是

注：本文中的偽代碼比較接近 JavaScript 語(yǔ)法，而有時(shí)候?yàn)榱苏f明類型，采用了 TypeScript 的類型申明語(yǔ)法。

function func(input) {
    do something with input
    return output
}

這是標(biāo)準(zhǔn)的 IPO(Input-Process-Output) 處理。

異步邏輯

而異步呢，是：

接受輸入 ? 處理 ? 啟動(dòng)下一步（如果有）

用偽代碼來描述就是：

function asyncFunc(input, next) {
    do something with input
    if (next is a entry) {
        next(output)
    }
}

這個(gè)過程稱為 IPN(Input-Process-Next)。

注意到這里的 Next，下一步，只有一步。這一步，囊括了后續(xù)的若干步驟。所以這一步，只能是后續(xù)若干步驟封裝出來一個(gè)模塊入口，或者說函數(shù)。

因此，模塊化思想在異步思維中是一個(gè)非常關(guān)鍵的思想。很多初學(xué)者寫代碼喜歡像記流水賬一樣一句句往下寫，動(dòng)不動(dòng)就是成百上千行的函數(shù)，這就是一種缺乏模塊化思想的表現(xiàn)。模塊化思想需要訓(xùn)練，分析代碼的相關(guān)性，提煉函數(shù)，提取對(duì)象，在具有一定經(jīng)驗(yàn)之后還需要掌握模塊細(xì)化的粒度平衡。這不是一朝一夕之功，不過我推薦看看“設(shè)計(jì)模式”和“重構(gòu)”相關(guān)的書籍。

異步開發(fā)工具（SDK和語(yǔ)法層面的）

承諾（Promise）

再想想上面關(guān)于年終匯報(bào)的例子，M 請(qǐng) N 去車間收集數(shù)據(jù)的時(shí)候，N 會(huì)說：“好的，我很快就把數(shù)據(jù)帶回來”，這是一種承諾?；谶@個(gè)承諾，M 才能安排后面撰寫關(guān)于車間的匯報(bào)材料。這個(gè)過程用偽代碼來描述就是

function collectData(): Promise {
    // N 去收集數(shù)據(jù)，產(chǎn)生了一個(gè)承諾
    return new Promise(resolve => {
        collect data from workshop
        // 這個(gè)承諾最終會(huì)帶來數(shù)據(jù)
        resolve(data)
    })
}

function writeWorkshopReport(data) {
    write report with data
}

// 收集數(shù)據(jù)的承諾兌現(xiàn)之后，可將這個(gè)數(shù)據(jù)用于寫報(bào)告
collectData()
    .then(data => writeWorkshopReport(data))

以 JavaScript 為代表的一些語(yǔ)言 SDK 中使用了 Promise。不過 C# 中是采用的 Task 和 Task<T>，相應(yīng)的，使用了 Task.ContinueWith 和 Task<T>.ContinueWith 來代替 Promise.then。

異步邏輯同步化

上面提到了同步思維和異步思維在一個(gè)處理步驟中的區(qū)別。如果跳出一個(gè)處理步驟，從更大范圍的處理流程來看，異步與同步其實(shí)也沒多大區(qū)別，都是 輸入-->處理-->產(chǎn)生輸出-->將輸出用于下一步驟，唯一要注意的是需要等待異步處理產(chǎn)生的輸出，我們可以稱之為異步等待。由于我們可以一邊進(jìn)行異步等待（async wait，簡(jiǎn)寫 await），一邊做別的事情，所以這個(gè)等待并不產(chǎn)生阻塞。但是，由于聲明了這個(gè)等待，編譯器/解釋器會(huì)將后面的代碼自動(dòng)放在等待完成之后調(diào)用，這讓異步代碼寫起來就像寫同步代碼一樣。

上面的例子使用異步等待的偽代碼會(huì)像這樣

async function collectData(): Promise {
    collect data from workshop
    // 多數(shù)語(yǔ)言會(huì)把 async 函數(shù)的返回值封裝成 Promise
    return data
}

function writeWorkshopReport(data) {
    write report with data
}

// await 只能用于聲明為 async 的函數(shù)中
async function main() {
    data = await collectData()
    writeWorkshopReport(data)
}

// 定義了異步 main 函數(shù)，一定要記得調(diào)用，不然它是不會(huì)執(zhí)行的
main()

像 C# 和 JavaScript 等語(yǔ)言都從語(yǔ)法層面規(guī)定了 await 必須用在聲明為 async 的函數(shù)中，這就從編譯/解釋的層面限定了 await 的用途，只要使用了 await，那它所處的就一定是一個(gè)異步上下文。而 async 也要求編譯器/解釋器對(duì)其返回值進(jìn)行一些自動(dòng)處理，比如在 JavaScript 中，其返回值如果不是 Promise 對(duì)象，它會(huì)自動(dòng)封裝成一個(gè) Promise 對(duì)象；而在 C# 中，它會(huì)自動(dòng)封裝成 Task 或 Task<T>（所以 async 方法的類型需要聲明為 Task 或 Task<T>）。

注意，注意，注意

盡管語(yǔ)言服務(wù)在異步程序同步化方面已經(jīng)做了很多工作，但是仍然避免不了一些人為錯(cuò)誤，比如忘記寫 await 關(guān)鍵字。在強(qiáng)類型語(yǔ)言中編譯器會(huì)檢查得嚴(yán)格一些，但如果是在 JavaScript 中，忘記寫 await 意味著原本應(yīng)該取得一個(gè)值的語(yǔ)句，會(huì)取到一個(gè) Promise。解釋器不會(huì)對(duì)此質(zhì)疑，但程序運(yùn)行的結(jié)果會(huì)不正確。

小結(jié)

總的來說，異步編程并不是特別困難的事情。使用 async/await 語(yǔ)言特性甚至可以用類似編寫同步代碼的方法來編寫異步代碼。但語(yǔ)法糖終究是糖，要想把異步編程掌握得更好，還是需要去了解和熟悉異步、回調(diào)、Promise、模塊化、設(shè)計(jì)模式、重構(gòu)等概念。