同步、异步、多线程与事件型综述

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同步、异步、多线程与事件型综述

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首先要了解什么是阻塞和阻塞式IO。
线程在执行中如果遇到磁盘读写或网络通信(统称IO操作),通常要耗费较长的时间,这时操作系统会剥夺此线程的CPU控制权,使其暂停执行,同时将资源让给其他的工作线程,这种线程调度方式称为阻塞。当IO操作完毕时,操作系统将这个线程的阻塞状态解除,恢复其对CPU的控制权,令其继续执行。这种IO模式就是同步式IO或阻塞式IO。

其次是了解什么是异步IO。
相应地,异步IO即非阻塞式IO则针对所有IO操作不采用阻塞的策略。当线程遇到IO操作时,不会以阻塞的方式等待IO操作的完成或数据的返回,而只是将IO请求发送给操作系统,继续执行下一条语句。当操作系统完成IO操作时,以事件的形式通知执行IO操作的线程,线程会在特定时候处理这个事件。为了处理异步IO,线程必须有事件循环,不断地检查有没有未处理的事件,依次予以处理。

阻塞模式下,一个线程只能处理一项任务,要想提高吞吐量必须通过多线程。而非阻塞模式下,一个线程永远在执行计算操作,这个线程所使用的CPU核心利用率永远是100%,IO以事件的方式通知。在阻塞模式下,多线程往往能提高系统吞吐量,因为一个线程阻塞时还有其他线程在工作,多线程可以让CPU资源不被阻塞中的线程浪费。而在非阻塞模式下,线程不会被IO阻塞,永远在利用CPU。多线程带来的好处仅仅是在多核CPU的情况下利用更多的核,而Node.js的单线程也能带来同样的好处。这就是为什么Node.js使用了单线程、非阻塞的事件编程模式。

单线程事件驱动的异步式IO比传统的多线程阻塞式IO究竟好在哪里呢?简而言之,异步式IO就是少了多线程的开销。对操作系统来说,创建一个线程的代价比较昂贵,需要给它分配内存、列入调度,同时在线程切换的时候还要执行内存换页,CPU的缓存被清空,切换回来的时候还要重新从内存中读取信息,破坏了数据的局部性。
 
当然,异步式编程的缺点在于不符合人们一般的程序设计思维,容易让控制流变得晦涩难懂,给编码和调试都带来不小的困难。习惯传统编程模式的开发者在刚刚接触到大规模的异步式应用时往往会无所适从,但慢慢习惯以后会好很多。尽管如此,异步式编程还是较为困难,不过可喜的是现在已经有了不少专门解决异步式编程问题的库(如async)。

同步IO与异步IO的比较
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同步IO                                                                           异步IO
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利用多线程提高吞吐量                                              单线程即可实现高吞吐量
通过时间片分割和线程调度利用多核CPU             通过功能划分利用多核CPU
需要由OS调度多线程使用多核CPU                        可以将单进程绑定到单核CPU
难以充分利用CPU资源                                             可以充分利用CPU资源
内存轨迹大,数据局部性弱                                     内存轨迹小,数据局部性强
符合线性的编程思维                                                 不符合传统编程思维

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基于多线程的模型也有相应的解决方案,如轻量级线程等。事件驱动的单线程异步模型与多线程同步模型到底谁更好是一件非常有争议的事情,因为尽管消耗资源,后者的吞吐率并不比前者低。 

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