#头条创作挑战赛#

前言

在计算机的早期阶段，单处理器系统占据主导地位，许多早期的编程语言都采用了同步编程模型。但是随着硬件的进步，出现了多核的处理器，这就需要开发更好的编程模型。一个能够充分利用所有资源的强大模型将是最合适的模型，这也催生了异步编程模型。

对于初学者来说，很难理解这两种编程模型之间的区别。在这篇文章中，我将尝试用通俗易懂的术语来简化和解释差异。我们还将看一下 Java 中的一个简单示例，了解 Java 中为异步编程提供的 API。

真实世界类比

在深入研究编程模型之前，我们先通过现实中的例子了解下同步和异步系统。

• 超市作为一个同步系统

我们都去过超市商店购买我们的日常用品，每个人都用手推车收集物品，然后去柜台，柜台人员会扫描所有物品，准备账单，接受该人的付款，最后给出收据。对于每个客户来说，这部分都是一个耗时的过程。此外，所花费的时间与商品数量、任何技术故障和找零钱（现金支付）的时间成正比。

想象一下，如果是节假日，超市打折会怎么样? 客户将不得不排队，花费大量时间，就像下面的图片一样：

在同步系统中，需要等待前一个任务完成，才能处理下一个任务，这会导致系统的瓶颈并降低系统的吞吐量。

• 麦当劳作为一个异步系统

麦当劳设有自助服务亭终端，客户可以下订单并完成付款。付款完成后，将随订单号一起分发收据。订单准备就绪后，屏幕上会显示订单号。

在准备食物的同时，顾客可以同时做多件事。他们不会被准备订单的人挡住，因此商店可以避免拥挤。客户不会按顺序收到他们的订单。例如： 一个人可能会在另一个人之前收到他的食物，即使他会在他之后下订单。这是异步系统的一个例子。

异步系统不会等待前一个任务完成，当给定任务正在进行时，它会继续执行另一项任务。

同步编程模型

在同步编程中，每一行代码都是按顺序执行的。在网络或文件 IO 调用的情况下，执行线程会阻塞。让我们看一下同步代码执行的示例。

我们将以电子商务系统为例。假设我们有一个函数，可以根据订单获取所有商品。然后它会为这些项目创建一个 CSV 文件并存储它。此外，它通过电子邮件将订单状态信息发送给客户。在上述情况下，我们的代码将按顺序执行，即第 10、11 和 12 行。

这些fetchItems函数执行数据库调用。数据库调用代价很大，因为它是 IO 调用。一旦我们调用该fetchItems方法，主线程就会阻塞。直到从数据库成功返回所有项目，它才恢复。

该createCsvFileForItems函数处理项目并生成 CSV 文件。该函数再次将主线程置于等待状态。一旦文件创建成功，该函数将返回。此外，它将调用该sendOrderStatus方法。

该方法sendOrderStatus主要是使用电子邮件地址并将订单状态发送给客户。

假设每个函数所花费的时间如下：

• fetchItems- 5 毫秒
• createCsvFileForItems- 10 毫秒
• sendOrderStatus- 8 毫秒

程序完成所需的总时间为 23 毫秒，sendOrderStatus函数将在 15 毫秒后调用。实际上sendOrderStatus功能是比较独立。但是，它仍然需要等待前面两个功能完成。假如我们先调用sendOrderStatus，在这种情况下，fetchItems函数必须等待 8 毫秒。

每个功能花费的时间

此外，当函数被调用时，主线程会阻塞。当线程进入等待状态时，它无法做任何有用的工作。如果应用程序在多核 CPU 上运行，则只会使用一个 CPU。这会导致其他 CPU 闲置。

通过在不同线程中执行独立任务，我们可以充分利用所有 CPU 内核。在上面的示例中，这可以通过并行运行fetchItems和sendOrderStatus来完成。完成后，我们可以使用结果然后调用createCsvFileForItems。

异步编程模型

在异步编程中，独立的任务在不同的线程上并行执行。一旦任务完成并返回结果，相关任务就会作为回调被调用。独立任务不会阻塞主线程，我们可以利用 CPU 的所有核心。

在上面的代码中，我们有每个方法的异步版本。该代码不会依次执行第 32、33 和 34 行。它将调用fetchItemsAsync方法新起一个线程从数据库中获取数据。随后，它将调用该sendOrderStatusAsync方法而无需等待第一个函数完成，此方法将在不同 CPU 上的单独线程上运行。在第 33 行，该fetchItemsAsync方法返回一个Future。主线程将在第 35 行等待这个Future并获取它的值。

该功能的执行将如下图所示：

异步函数执行

Java 中的异步编程

Java 提供了实现异步编程的接口和类，如CompletionStage、CompletableFuture ,表示返回一个异步执行未来的结果。

在上面的示例中，该方法fetchItemsAsync返回了Future>，简单理解未来会返回的数据。此方法定义并初始化一个 CompletableFuture。在 Executor API 的帮助下，它将执行启动一个新线程运行。计算完成后，它会完成 future（第 48 行），然后返回它。

由于fetchItemsAsync是异步的，主线程可以同时调用sendOrderStatus 方法。因此，它不需要等待前一种方法完成。然后它会在以后使用get方法得到最终的结果。主线程将阻塞调用 get 方法，并在结果可用后恢复。

我们可以避免上述样板代码并使用 CompletableFuture 的 API。CompletableFuture 提供方法supplyAsync和runAsync。Supplier 接口是一个不接受任何参数的功能接口。它返回参数化类型的值。

使用可完成的期货

supplyAsync我们在上面的代码片段中使用函数。在内部，此函数将在一个线程中从 java 中的 ForkJoinPool 执行代码，该thenApply构造处理异步计算阶段的结果。

如上所示，fetchItems调用异步返回项目列表。然后将结果提供给createCsvFileForItems函数。此函数充当回调函数，并在fetchItems函数完成后被调用。程序开始执行函数sendOrderStatus，无需等待第一阶段的计算完成。因此，我们使用异步编程解耦了两个独立的任务。

总结

我们通过上面简单讲解了同步和异步编程模型，我们来总结下各自的优缺点。

同步编程模型优点

• 同步编程简单易行。
• 它非常适合 CPU 密集型任务。
• 更适合简单的系统。
• 调试同步系统更容易。

同步编程模型缺点

• 它不适合 IO 绑定任务，CPU 内核未得到充分利用。
• 它引入了两个任务之间的依赖关系，一个任务可以阻止另一个任务的执行。
• 不适用于高吞吐量和低延迟系统

异步编程模型优点

• 可以并行启动独立任务, 它充分利用了所有的计算资源。
• 有利于 IO 任务。
• 可扩展且适用于高吞吐量工作负载。

异步编程模型缺点

• 需要很多回调函数, 调试有时变得困难。
• 不利于 CPU 密集型任务。
• 在某些编程语言中难以实现。