Асинхронное и синхронное программирование

С некоторых пор я получаю много вопросов об асинхронном программировании. И, поняв, что данная тема интересует многих моих читателей, я решил написать статью, для объяснения этих терминов, тем более, что асинхронное программирование является очень важной частью современного Интернета.

Для начала необходимо отметить, что существуют две совершенно разные концепции: первая - синхронная и асинхронная модели программирования, а вторая - однопоточные и многопоточные среды. Каждая из моделей программирования (синхронная и асинхронная) может работать как в однопоточной, так и в многопоточной среде.

Модель синхронного программирования.

В этой модели программирования поток назначается одной задаче и начинает работать над ней. Как только задача завершается, поток доступен для следующей задачи. Т.е. одна задача сменятся другой последовательно. В этой модели невозможно оставить выполнение задачи в середине для выполнения другой задачи. Давайте обсудим, как эта модель работает в однопоточных и многопоточных средах.

Однопоточная среда - Single Threaded - если у нас есть пара задач, которые необходимо выполнить, а текущая система предоставляет только один поток, тогда задачи назначаются потоку одна за другой. Наглядно это можно изобразить вот так:

,где Thread 1 - один поток, Task 1 и Task 2, Task 3, Task 4 – соответствующие задачи.

Мы видим, что у нас есть поток (Thread 1) и четыре задачи, которые нужно выполнить. Поток начинает работу над задачами и завершает все задачи одну за другой.

Многопоточная среда - Multi-Threaded - в этой среде мы используем несколько потоков, которые могут выполнять эти задачи одновременно. Это означает, что у нас есть пул потоков (новые потоки также могут создаваться по необходимости на основе доступных ресурсов) и множество задач.

Мы видим, что у нас есть четыре потока и столько же задач. Поэтому каждый поток выполняет одну задачу и завершает ее. Это идеальный сценарий, но в обычных условиях у нас, как правило, больше задач, чем количество доступных потоков. И поэтому, когда один поток закончит выполнять некоторую задачу, он немедленно приступит к выполнению другой. Обратите внимание также и на тот факт, что новый поток создается не каждый раз, потому что ему нужны системные ресурсы, такие как такты процессора и память, которых может оказаться недостаточно.

Теперь давайте поговорим об асинхронной модели и о том, как она ведет себя в однопоточной и многопоточной среде.

Модель асинхронного программирования.

В отличие от модели синхронного программирования, здесь один поток, запуская некую задачу, может остановить на некотором промежутке времени ее выполнения, сохраняя при этом ее текущее состояние, и начать выполнять другую задачу.

мы видим, что один поток отвечает за выполнение всех задач, чередуя их, друг с другом.

Если наша система способна создавать несколько потоков, то все потоки могут работать по асинхронной модели.

Мы видим, что те же задачи T4, T5, T6 обрабатываются несколькими потоками. В этом и состоит красота и сила этого сценария. Как вы можете видеть, задача T4 была запущена первой в потоке Thread 1 и завершена в потоке Thread 2. Точно так же T6 завершается в Thread 2, Thread 3 и Thread 4.

Итак, всего у нас четыре сценария –

• Синхронный однопоточный 
• Синхронный многопоточный
• Асинхронный однопоточный
• Асинхронный многопоточный

Преимущества асинхронного программирования

Для любого приложения важны две вещи: удобство использования и производительность. Удобство использования важно потому, что когда пользователь нажимает кнопку, чтобы сохранить некоторые данные, это требует выполнения нескольких небольших задач, таких как чтение и заполнение данных во внутреннем объекте, установление соединения с SQL сервером и сохранение запроса там и. т. д.

Так как SQL-сервер, например, скорее всего, работает на другом компьютере в сети и работает под другим процессом, это может занять много времени. А, если приложение работает в одном потоке, тогда экран устройства пользователя будет находиться в неактивном состоянии до тех пор, пока все задачи не будут завершены, что является примером очень плохого пользовательского интерфейса. Вот почему многие приложения и новые фреймворки полностью полагаются на асинхронную модель, так как она позволяет выполнять множество задач, при этом сохраняя отзывчивость интерфейса.

Эффективность приложения также очень важна. Подсчитано, что при выполнении запроса около 70-80% времени теряется в ожидании зависимых задач. Поэтому, это место где асинхронное программирование как нельзя лучше придется кстати.

Таким образом, в данной статье мы рассмотрели, что такое синхронное и асинхронного программирование. Особый акцент был сделан на асинхронное программирование, так оно лежит в основе подавляющего большинства современных средств разработки. А в следующих статьях мы познакомимся с реальными примерами, использующими асинхронную модель.