5 минутСтандартный код работает последовательно, обрабатывая один запрос за другим. В сложных процессах с высокой нагрузкой такой подход не работает. В таких случаях используют асинхронное программирование.
Асинхронное программирование: что это и как работает
При синхронном программировании код выполняется в строгой последовательности. При этом выполнение программы или окружения блокируется, пока задача не выполнена полностью.
Асинхронное программирование также выполняет код последовательно, но позволяет переключаться на другие задачи, пока ожидается ответ. Это ускоряет работу программ и сервисов, так как процессор не простаивает в ожидании.
Рассмотрим различия между синхронным и асинхронным программированием на примере. Вы решили скачать новую игру. При синхронном программировании после начала загрузки вы теряете возможность пользоваться ноутбуком — система блокируется в ожидании. Асинхронное программирование позволяет продолжить работу, пока игра загружается на фоне.
Многопоточность и асинхронное программирование
Асинхронное программирование и многопоточность — разные модели, которые могут работать в связке. Как синхронное, так и асинхронное программирование могут быть однопоточными и многопоточными. Их различает подход к ускорению процессов:
асинхронное программирование выполняет другие задачи во время ожидания выполнения первой;
многопоточность создает несколько линий внутри одного процессора и переключается между ними для выполнения задач.
Многопоточностью сложнее управлять. Когда многопоточность использует синхронное программирование, поток может заблокироваться в ожидании чтения данных и не сможет выполнять другие задачи.
Также подход подвержен конфликтам между потоками, когда они пытаются выполнить одно и то же действие. Это снижает эффективность и усложняет отладку кода.
Асинхронное программирование обеспечивает неблокирующее выполнение долгих операций в потоках и упрощает жизнь разработчику, так как не требует контроля за их работой.
Параллелизм — это модель программирования, при которой разные задачи делятся между ядрами или процессорами и выполняются одновременно.
Параллелизм может включать описанные выше виды программирования или использоваться как единственная модель ускорения процессов. Асинхронность и многопоточность создают для пользователя видимость, что несколько действий выполняются одновременно, хотя в реальности они только переключаются между ними. Параллелизм позволяет выполнять задачи одновременно.
Асинхронное программирование переключается на другие задачи в свободное время, многопоточность переключается между задачами на разных линиях, а параллелизм выполняет несколько дел одновременно.
Когда используется асинхронное программирование
Асинхронное программирование сложнее обычного, поэтому его не применяют везде. Чаще всего его используют в масштабных задачах, где время ожидания критично.
Распространенные случаи применения:
Веб-разработка — сайты и приложения, созданные на основе асинхронного программирования, становятся более интерактивными. Примеры:
Приложения такси — показывают подходящие адреса по мере ввода текста, а не после полного ввода адреса;
Соцсети — лента новостей подгружается параллельно с просмотром;
Игры — пока пользователь выбирает предмет из инвентаря, программа может запустить предзаписанные фразы персонажей или анимацию.
Работа с большими файлами — асинхронное программирование позволяет избегать зависаний интерфейса при загрузке или выгрузке файлов. Обработка на фоне не мешает параллельной работе с другими задачами.
Видеозвонки — асинхронное программирование помогает передавать данные в реальном времени, предотвращает задержки и зависания при нестабильном интернет-соединении.
Преимущества и недостатки асинхронного программирования
У асинхронного программирования есть как достоинства, так и недостатки. Ниже перечислены основные из них.
Преимущества
Повышает производительность — асинхронность позволяет не тратить время на ожидание и выполнять больше задач. При этом не нужно создавать множество потоков, что снижает нагрузку на память и уменьшает время обработки.
Улучшает пользовательский опыт — асинхронность позволяет создавать приложения, которые не замирают в ожидании обработки запроса.
Повышает эффективность — ресурсы не блокируются в ожидании ответов, а распределяются на другие задачи.
Недостатки
Усложняет разработку — код становится более громоздким и нелинейным. Разработчику сложнее читать его и отслеживать логику выполнения операций.
Усложняет отладку — из-за сложности кода труднее выявить место ошибки, стек не показывает полную картину.
Усложняет синхронизацию — если нескольким операциям требуется один и тот же ресурс, это может вызвать конфликт между ними.
В каких языках программирования используется асинхронность
Асинхронное программирование востребовано в работе с графическими интерфейсами, сетевыми запросами и базами данных. Рассмотрим, какие языки программирования чаще используют эту модель.
JavaScript — этот изначально однопоточный язык программирования использует механизмы для внедрения асинхронности:
Callbacks (функция обратного вызова) — результат выдается не сразу после получения, а после выполнения другой операции. Например, пользователь видит текст страницы, пока остальной контент подгружается.
Promises — используются методы .then() и .catch() для обработки результата и ошибок. Создается promise, которое либо выполняется, либо отклоняется. По сравнению с callbacks, этот механизм проще, так как делает код более линейным.
Async/Await — эти операторы упрощают работу с promises. При добавлении async в начало функции она автоматически возвращает promise, а await позволяет дождаться окончания асинхронной операции внутри функции. Это делает код более компактным и читаемым.
Python — глобальная блокировка интерпретатора (GIL) делает язык однопоточным, но механизмы async / await позволяют использовать асинхронную библиотеку asyncio. Кстати, научиться асинхронному программированию на Python можно на курсе от ProductStar всего за два месяца.
C# — широко применяет асинхронность для создания приложений с высокой производительностью, используя следующие методы:
Async/Await — основной инструмент асинхронного программирования в C#.
Coroutines — этот механизм позволяет поставить выполнение функции на паузу, освободить поток для других задач, а затем возобновить работу. Coroutines легче создания новых потоков и помогают сохранять линейность кода.
Callbacks — сегодня этот метод применяется реже из-за громоздкости.
Асинхронное программирование применяется в веб-разработке, работе с сетевыми запросами, файловыми операциями и видеозвонками. Для старта достаточно освоить механизмы async / await в выбранном языке — они реализованы в JavaScript, Python, C# и других современных языках.
