Асинхронное программирование - Часть 1

Представьте себе новый подход к программированию, где задачи могут выполняться параллельно, без ожидания завершения каждой из них. Это не фантастика, а современное решение – асинхронное программирование.

Асинхронность – это концепция, которая позволяет программам отвечать на запросы в любое время, а не ждать своей очереди.

Это подобно многозадачности, но с дополнительным преимуществом – задачи могут завершаться в разное время, не блокируя ход программы.

Современные подходы и инновации в написании кода

В современном быстро меняющемся цифровом мире приложения должны быть способны мгновенно реагировать на запросы пользователей, сохраняя свою отзывчивость.

Традиционные методы программирования могут не справиться с постоянно растущей сложностью и производительностью.

Чтобы преодолеть эти ограничения, разработчики обратились к современным подходам, таким как асинхронное программирование.

Этот революционный метод позволяет приложениям выполнять задачи параллельно, без ожидания завершения одной задачи до начала другой.

Такой подход обеспечивает более эффективный и отзывчивый пользовательский интерфейс, повышая общее качество приложения.

Что такое непоследовательное программирование?

Непоследовательное программирование зародилось из потребности в более эффективном управлении потоком операций в компьютерных системах. Не будем углубляясь в технические дебри, основная идея заключается в одновременном выполнении множественных операций.

Ключевые аспекты

Ключевая характеристика непоследовательного программирования – распараллеливание задач.

Непоследовательные программы делят операции на более мелкие части, которые могут выполняться одновременно.

Это устраняет необходимость ожидания завершения одной операции перед началом другой, что повышает общую производительность и отзывчивость.

При непоследовательном программировании операции выполняются асинхронно, освобождая ресурсы, которые могут использоваться для других задач.

Это повышает эффективность и экономит процессорное время, делая компьютер более отзывчивым для пользователей.

Зачем синхронизировать и асинхронизировать?

Хочешь быстрее добиваться результата, не терять время впустую, и вместо добывания воды из колодца в одиночку - строить водопровод?

Тогда тебе стоит присмотреться к синхронизации и асинхронизации.

Компьютерный мир так и крутится - одни процессы ждут другие, и часто это ожидание неоправданно долгое.

И тут приходит на помощь механизм асинхронизации.

Например, вместо того, чтобы ждать загрузки картинки с сервера, браузер может загружать ее в фоновом режиме, а в это время показывать текст и меню сайта.

Потоки и многопоточность

Представьте себе многозадачную машину, которая способна обрабатывать сразу несколько дел. Вот что такое потоки. Они позволяют компьютерным программам выполнять несколько задач параллельно, что повышает их общую производительность.

Поток – это автономный блок кода, который выполняется в рамках процесса.

Каждый поток имеет свое стековое пространство и набор переменных.

Потоки совместно используют один и тот же адресное пространство.

Многопоточность – это модель программирования, которая использует несколько потоков для выполнения задач. Она позволяет программам быть более эффективными и отзывчивыми, особенно в приложениях, требующих обработки в реальном времени или интенсивных вычислений.

Коррутины

Их главное отличие от обычных функций в том, что они могут сохранять свое состояние.

Это особенно полезно для написания асинхронного кода.

Благодаря коррутинам код становится более структурированным и читабельным.

А также упрощается обработка ошибок и управление параллельными вычислениями.

При этом вычислительная мощность не страдает, так как в основе реализации коррутин - классические механизмы.

Коррутины существенно расширяют возможности разработчика при работе с асинхронным кодом.

Обратные вызовы

Обратный вызов – это функция, которая будет выполнена, когда произойдет определенное событие.

Другими словами, вы можете зарегистрировать обратный вызов для события и продолжить выполнение своего кода.

Когда событие произойдет, ваш обратный вызов будет вызван с результатами операции.

Обещания

В мире современного программирования термин "обещания" играет важную роль. Это соглашение между двумя объектами: одним, который производит результат, и другим, который ожидает его.

Обещания часто встречаются при работе с асинхронным кодом, где операции выполняются параллельно. Когда мы запускаем операцию, мы не знаем, когда она будет завершена. Обещание позволяет нам отложить обработку результатов до их готовности.

Если операция завершается успешно, обещание "разрешается" и возвращает значение. В случае ошибки обещание "отклоняется" и сообщает об ошибке.

Работа с обещаниями в JavaScript

В JavaScript обещания являются объектами, которые имеют два метода: resolve и reject. Метод resolve используется для разрешения обещания и передачи значения, а reject - для отклонения обещания и передачи ошибки.

С помощью цепочек обещаний можно обрабатывать результаты асинхронных операций последовательно. Каждое обещание в цепочке представляет один шаг в процессе, и результат предыдущего шага передается следующему.

Async/await – гармония «бессилия» и эффективности

Асинхронные вызовы могут прокладывать путь к свободе действий, не привязывая программу к долгим операциям. Но ожидание их результатов может превратиться в бесконечные проверки флагов.

Async/await приходит на помощь как мост между двумя мирами: синхронным и асинхронным. С его помощью можно писать асинхронный код, имитируя синхронное выполнение. Это достигается приостановкой и возобновлением функций в точках ожидания, тем самым сохраняя целостность потока выполнения.

Можно представить это как разговор: «Я дождусь ответа, а пока займусь другим делом». При получении ответа программа автоматически возвращается к прерванному выполнению.

Синхронизация задач

Комбинирование асинхронных задач создает необходимость в их согласованном взаимодействии.

Для этого используются различные механизмы, которые обеспечивают выполнение задач в определенном порядке или при определенных условиях.

Одним из ключевых механизмов синхронизации является мьютекс (взаимное исключение), который позволяет исключить одновременный доступ к общему ресурсу несколькими потоками.

Также существуют механизмы, позволяющие организовать обмен данными между задачами и сигнализировать о наступлении определенных событий, таких как семафоры, события и каналы.

Понимание и правильное применение механизмов синхронизации задач является решающим фактором для эффективной работы асинхронных приложений и предотвращения многопоточных конфликтов и ошибок.

Контекст выполнения

Контекст, в котором выполняется код, контролирует поведение нашей программы. Эта концепция лежит в основе современной разработки парадигм программирования.

В контексте выполнения мы можем указать, в каком порядке будут выполняться наши команды и будут ли они ожидать каких-либо внешних событий, таких как пользовательский ввод или сетевые запросы.

Существуют различные варианты контекста выполнения, каждый из которых предлагает свой набор функций и сложностей.

Понимание и управление контекстом выполнения имеет решающее значение для написания эффективного и отзывчивого кода.

Синхронный контекст выполнения

Синхронный контекст выполнения совершает команды последовательно. Это самый простой и интуитивно понятный контекст.

Асинхронный контекст выполнения

Асинхронный контекст выполнения позволяет командам выполняться параллельно, что может значительно повысить производительность.

Тем не менее, асинхронное программирование может быть сложнее из-за необходимости обработки событий и распутывания обратных вызовов.

Асинхронные потоки

Потоки, прибывающие в разное время или работающие отдельно, не прерывают друг друга.

Идея в том, чтобы задачи выполнялись без ожидания результатов друг от друга.

В асинхронном потоке есть главный поток и несколько фоновых потоков, которые могут работать одновременно.

Это позволяет запустить долгоиграющую операцию, не блокируя основной поток.

Неблокирующий код выполняется быстро, не дожидаясь окончания медленных операций.

Например, загрузка файла может происходить в фоновом потоке, а основной поток может продолжать работать, обновляя пользовательский интерфейс.

Проверка несинхронного взаимодействия

Проверка несинхронного взаимодействия, как правило, более сложная задача по сравнению с проверкой синхронных программ, поскольку в несинхронном коде поведение определяется не только исходным состоянием, но и временем. В данном разделе будут рассмотрены распространенные методы и инструменты, которые используются для тестирования несинхронных программ.

Для проверки несинхронного взаимодействия необходимо понимать все возможные пути выполнения.

Ожидание выполнения несинхронных операций является ключевой частью тестирования.

Рекомендуется использовать библиотеки и фреймворки для тестирования, которые упрощают процесс.

Не исключайте использование моковых и стабов для изоляции несинхронных зависимостей.

Вопрос-ответ:

Что такое асинхронное программирование?

Асинхронное программирование — это парадигма программирования, которая позволяет выполнять операции без блокировки основного потока выполнения программы. Другими словами, она позволяет коду продолжать работу, даже если какая-то операция еще не завершена. Это достигается с помощью механизма обратных вызовов, промисов или асинхронных функций, которые позволяют продолжить выполнение кода после завершения асинхронной операции.

В чем разница между синхронным и асинхронным программированием?

Основное отличие между синхронным и асинхронным программированием заключается в том, что в синхронном программировании операции выполняются последовательно, блокируя основной поток, а в асинхронном программировании операции выполняются параллельно, не блокируя основной поток. Это означает, что синхронный код прост в реализации, но может привести к блокировкам и снижению отзывчивости, а асинхронный код сложнее в написании, но позволяет избежать этих проблем.

Видео:

Курс асинхронное и многопоточное программирование - Лекция 1