多线程和异步的区别

迷南。 2022-06-04 07:42 255阅读 0赞

随着拥有多个硬线程CPU（超线程、双核）的普及，多线程和异步操作等并发程序设计方法也受到了更多的关注和讨论。本文主要是想与园中各位高手一同探讨一下如何使用并发来最大化程序的性能。

多线程和异步操作的异同

多线程和异步操作两者都可以达到避免调用线程阻塞的目的，从而提高软件的可响应性。甚至有些时候我们就认为多线程和异步操作是等同的概念。但是，多线程和异步操作还是有一些区别的。而这些区别造成了使用多线程和异步操作的时机的区别。

异步操作的本质

所有的程序最终都会由计算机硬件来执行，所以为了更好的理解异步操作的本质，我们有必要了解一下它的硬件基础。 熟悉电脑硬件的朋友肯定对DMA这个词不陌生，硬盘、光驱的技术规格中都有明确DMA的模式指标，其实网卡、声卡、显卡也是有DMA功能的。DMA就是直接内存访问的意思，也就是说，拥有DMA功能的硬件在和内存进行数据交换的时候可以不消耗CPU资源。只要CPU在发起数据传输时发送一个指令，硬件就开始自己和内存交换数据，在传输完成之后硬件会触发一个中断来通知操作完成。这些无须消耗CPU时间的I/O操作正是异步操作的硬件基础。所以即使在DOS这样的单进程（而且无线程概念）系统中也同样可以发起异步的DMA操作。

线程的本质  
　　线程不是一个计算机硬件的功能，而是操作系统提供的一种逻辑功能，线程本质上是进程中一段并发运行的代码，所以线程需要操作系统投入CPU资源来运行和调度。

异步操作的优缺点

因为异步操作无须额外的线程负担，并且使用回调的方式进行处理，在设计良好的情况下，处理函数可以不必使用共享变量（即使无法完全不用，最起码可以减少共享变量的数量），减少了死锁的可能。当然异步操作也并非完美无暇。编写异步操作的复杂程度较高，程序主要使用回调方式进行处理，与普通人的思维方式有些初入，而且难以调试。

多线程的优缺点  
　　多线程的优点很明显，线程中的处理程序依然是顺序执行，符合普通人的思维习惯，所以编程简单。但是多线程的缺点也同样明显，线程的使用（滥用）会给系统带来上下文切换的额外负担。并且线程间的共享变量可能造成死锁的出现。

适用范围

在了解了线程与异步操作各自的优缺点之后，我们可以来探讨一下线程和异步的合理用途。我认为：当需要执行I/O操作时，使用异步操作比使用线程+同步I/O操作更合适。I/O操作不仅包括了直接的文件、网络的读写，还包括数据库操作、Web Service、HttpRequest以及.Net Remoting等跨进程的调用。  
　　而线程的适用范围则是那种需要长时间CPU运算的场合，例如耗时较长的图形处理和算法执行。但是往往由于使用线程编程的简单和符合习惯，所以很多朋友往往会使用线程来执行耗时较长的I/O操作。这样在只有少数几个并发操作的时候还无伤大雅，如果需要处理大量的并发操作时就不合适了。

## [怎样理解阻塞非阻塞与同步异步的区别？][Link 1] ##

**反对，不会显示你的阻塞”与"非阻塞"与"同步"与“异步"不能简单的从字面理解，提供一个从分布式系统角度的回答。**

1.同步与异步  
同步和异步关注的是 消息通信机制 (synchronous communication/ asynchronous communication)  
所谓同步，就是在发出一个\*调用\*时，在没有得到结果之前，该\*调用\*就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了。  
换句话说，就是由\*调用者\*主动等待这个\*调用\*的结果。  
  
而异步则是相反， \*调用\*在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果。而是在\*调用\*发出后，\*被调用者\*通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用。  
  
典型的异步编程模型比如Node.js  
  
举个通俗的例子：  
你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书，如果是同步通信机制，书店老板会说，你稍等，”我查一下"，然后开始查啊查，等查好了（可能是5秒，也可能是一天）告诉你结果（返回结果）。  
而异步通信机制，书店老板直接告诉你我查一下啊，查好了打电话给你，然后直接挂电话了（不返回结果）。然后查好了，他会主动打电话给你。在这里老板通过“回电”这种方式来回调。  
  
2. 阻塞与非阻塞  
阻塞和非阻塞关注的是 程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态.  
  
阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。  
非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。  
  
还是上面的例子，  
你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书，你如果是阻塞式调用，你会一直把自己“挂起”，直到得到这本书有没有的结果，如果是非阻塞式调用，你不管老板有没有告诉你，你自己先一边去玩了， 当然你也要偶尔过几分钟check一下老板有没有返回结果。  
在这里阻塞与非阻塞与是否同步异步无关。跟老板通过什么方式回答你结果无关。

作者：Shihui wang  
链接：http://www.zhihu.com/question/19732473/answer/14413599  
来源：知乎  
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

其他楼层包括从技术角度都有了详细解释。这里主要是针对其他网友的疑问做的补充和修改，考虑到需要在编程概念上更严谨一点。

1.  阻塞非阻塞表示下面 买书过程中 可能出现的状态，是从 我 这个单进程角度来看待这个买书这个问题。  
    
2.  同步异步表示一种协作方式，是从全局更高的角度 “进程之间 合作的方式” 来看待买书这个业务。两个进程之间如果商量采用异步方式处理买书这一业务，就不存在阻塞这种状态。

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A.概念

阻塞非阻塞： 请求不能立即得到应答，需要等待，那就是阻塞；否则可以理解为非阻塞。

同步异步： 某业务需要甲乙甚至多方合作的时候，

1.  总是按照“甲方请求一次，乙方应答一次”这样的有序序列处理业务，只有当“一次请求一次应答”的过程结束才可以发生下一次的“一次请求一次应答”，那么就说他们采用的是同步。（同步IO中，对同一个描述符的操作必须是有序的）  
    
2.  如果甲方只要有需要，就会发送请求，不管上次请求有没有得到乙方应答。而乙方只要甲方有请求就会接受，不是等这次请求处理完毕再接受甲方新请求。这样请求应答分开的序列，就可以认为是异步。异步情况下，请求和应答不需要一致进行，可能甲方后请求的业务，却先得到乙方的应答。同步是线性的，而异步可以认为是并发的。（异步IO中，异步IO可以允许多方同时对同一个描述符发送IO请求，或者一次发多个请求，当然有机制保证如何区分这些请求，）

举个例子：

1.  我去买一本书，立即买到了，或者没有就走了，这就是非阻塞；（编程中设置IO成非阻塞，返回后再去检查描述符，或者等待通知，然后再去读取。相当于老板告诉我可以先忙点别的，过一会再来问问，或者老板通知我。但期间这个窗口(文件描述符)别人是用不了的）("立即买到了"在IO中也需要等待，不能算非阻塞IO)  
    
2.  如果恰好书店没有，我就等一直等到书店有了这本书买到了才走，这就是阻塞；而排在我后面的人呢只有我买到了书后才能再买书了。  
    
3.  如果书店恰好没有，我就告诉书店老板，书来了告诉我一声让我来取或者直接送到我家，然后我就走了，去做别的事了，这就是异步。这时候如果很多人来买书，都是老板登记一下完事。 (从IO角度来说，“告诉我来取”，这个近似于信号驱动IO，不能算异步IO。必须书送到我家才算是异步，如果不送到我家，我想看这本书之前，终究还是需要我跑一趟)  
    
4.  前面两种情况，非阻塞和阻塞都可以称为同步。

反映在编程方面就是 用户进程 调用 系统调用。(用户进程对应我，内核 对应 书店老板，书对应数据资源data ， 买书就是一个系统调用了，其中内核拷贝数据到进程这个过程近似于老板送书到我手中）。  
  
  
B. 在同步异步IO概念中，

同步异步的不同在于，针对同一个描述符上的IO操作，从IO操作发起 到 得到 IO结果 这个过程而言，总是按照“发起请求，得到结果”这个有序序列进行的，这样便有了最小的等待这种情况：读取时，确知IO有数据，但需要等待内核拷贝数据到进程空间。这个最小情况的等待，同步IO都有。

unix网络编程中将IO模型分为5类：阻塞IO，非阻塞IO，IO复用，信号驱动，异步IO。

1.  阻塞IO就是那种recv, read，一直等，等到有了数据才返回；  
    
2.  非阻塞IO就是立即返回，设置描述符为非阻塞，但是要进程自己一直检查是否可读；  
    
3.  IO复用其实也是阻塞的，不过可以用来等很多描述符，比起阻塞有了进步，可以算有点异步了，但需要阻塞着检查是否可读。对同一个描述符的IO操作也是有序的。  
    
4.  信号驱动采用信号机制等待，有了更多的进步，不用监视描述符了，而且不用阻塞着等待数据到来，被动等待信号通知，由信号处理程序处理。但对同一个描述符的IO操作还是有序的。  
    
5.  异步IO，发送IO请求后，不用等了，也不再需要发送IO请求获取结果了。等到通知后，其实是系统帮你把数据读取好了的，你等到的通知也不再是要求你去读写IO了，而是告诉你IO请求过程已经结束了。你要做的就是可以处理数据了。且同一个描述符上可能同时存在很多请求。(对应上面那个买书例子中，就是送书到我家，我直接看书就行了，不需要再去跑一趟了)。

其中IO服用和信号驱动，在处理业务逻辑上可以说有异步，但在IO操作层面上来说还是同步的。

posix.1严格定义的异步IO是要求没有任何一点阻塞，而上述的前面四个（阻塞IO，非阻塞IO，IO复用，信号驱动）都不同程度阻塞了，而且都有一个共同的阻塞： 内核拷贝数据到进程空间的这段时间需要等待。 (所以上面的举例中： 必须要书送到我家，否则都不算异步，纠结。。。)

[Link 1]: http://www.zhihu.com/question/19732473