Synchronization and Asynchronization

        所謂的「同步（Synchronous）」，和「非同步（Asynchronous）」，是我們在撰寫程式或是開發系統時，常會聽到的形容詞。這兩種概念可以用在許多地方，包括描述程式設計的模式，所以，我們會看到所謂「同步程式設計（Synchronous Programming）」，以及「非同步程式設計（Asynchronous Programming）」。這兩個名詞分別描述了兩種不同的程式設計模式，但它們之間有什麼差別呢？




目前的IT系統先天上都是非同步
        我們在做程式設計的時候，通常會涉及要處理多個工作，而所謂的「同步程式設計」，就是要執行的這些工作彼此之間是有「同步」的關係的。「同步」，顧名思義，就是不同工作間前進的步伐協同一致。因為不同的工作執行的步調不同，為了要協調彼此間的步伐，所以工作間會有必須等候其他工作完成的情況，而這「等待」就成了同步程式設計的一個重要特質。

        對單一處理器的系統而言，就處理器本身實際上同時只能處理一項動作，所以，處理器循序的執行指令先天就是同步的（事實上也沒有什麼其他的工作可和其發生同步的關係）。但是，即便如此，這樣的系統在運行時，其本質還是非同步的。

        怎麼說呢？因為一個實際的系統，不單只有涉及處理器，還有眾多的輸入、輸出設備，像是鍵盤、硬碟、網路卡、……等等。這些輸入輸出的設備，其工作的運行都是獨立於處理器之外，它們並不倚賴處理器執行指令才能運作。但是，最終它們還是必須和處理器所執行的指令發生關係。就像我們透過處理器所執行的程式，想要讀取來自於硬碟中的資料，這些資料終究還是必須進到系統的主記憶體中，以便程式碼加以存取，如此一來，硬碟設備處理資料的工作，就和處理器所執行的工作發生了關係。你可以想像，硬碟設備自行處理資料的工作，和處理器工作是平行運作的，處理器可以一邊執行指令，而硬碟設備也可以同時將資料讀取至主記憶體中。這正是其先天非同步的本質。

        但是問題來了，即使這二者間的執行是相互獨立、平行，但處理器所執行的程式終究還是得讀取到資料，而這讀取到資料的模式就可能會有同步，還有非同步等兩種。

        如果是非同步的模式，那就是和先天的特質一致。在非同步的模式底下，程式讀取資料的方式像是「我想要讀得資料，但是我不想等待，當有資料被讀取進來時，請告訴我，讓我可以做一些事」。所以，我們所設計的程式有一個自己的主要執行流程，但是，它並不會在任何時刻「等待」資料的到來。相反的，資料到來時，程式會被以某種方式「通知」，以利它取得資料並且加以處理。而在同步的模式底下，程式讀取資料的方式就變成了「請讓我讀得到資料」。所以當程式的主要流程要求讀取資料時，就會持續「等待」，直到的確存在資料可供讀取為止。

同步模式的優缺點

        你或許在上述的例子中會發現，同步的程式設計模式看起來比較單純，而且比較直覺（當然，在某些情況下，可能是非同步的模式較為直覺）。當程式想讀取資料時，就表示它想要讀得資料的意圖，等到該請求被滿足時，便已取得資料（或發生錯誤）。非同步的程式設計模式就複雜許多了，因為可能負責使用資料的主流程，和可讀得資料的流程是獨立運行，二者之間必須透過其他的機制來「同步」，才能使得主流程得以操作資料。

        從C、C++、Java等常見語言的程式庫來看，在讀寫、輸入輸出設備資料的部份，都是採取同步模式，便可以明白，這種方式的確對設計程式比較便利，而且直覺。

        不過，同步模式並非沒有缺點。雖然因為此種模式先天就是同步各工作、使流程循序執行，但是，這也使得主流程必須不斷「等待」各工作的完成。有些應用情境下，這並不打緊，因為就算採非同步模式，還是得處理工作間「同步」的動作。但是有些應用情境下，這「等待」會衍生出問題。

        例如，對於一個必須即時反應來自使用者的輸入，或是對使用者輸出的程式，若是在主流程中發生了等待的停滯情況，那麼無論是讀取來自使用者的輸入，或是更新對使用者的輸出，都會因為這停滯而無法處理。尤其對於圖形化操作介面的程式而言，這種情況就會像是使用者反覆不斷嘗試移動滑鼠，卻看不到滑鼠的游標移動，甚至畫面還因為停止更新，而變成了蒼白的一片。為止，採用非同步的程式設計模式，多半是比較好的選擇。

        從這邊你也可以觀察到一個有趣的現象，像Windows這種以GUI為主的作業系統家族（尤其早期Windows 3.1之前，更是非強制性多工的作業系統），其系統的API反而就考量到非同步的需求，使同步及非同步的模式並行及兼容。這當然是為了讓面對GUI程式的設計者，能夠設計出能即時反應使用者輸入及輸出的應用程式而做的決定。

非同步讀取的三種方式

        正如前段文中所提到的，非同步的程式設計模式通常是比較複雜的。舉例來說，同步的讀取，只需要呼叫讀取的函式，待函式成功返回之後，就能取得資料並以加以操作。而非同步的讀取，在呼叫讀取的函式後立即返回，資料會在之後透過某種途徑讓程式得以操作。


        第一種就是「等待直到完成」。你或許會覺得很奇怪，既然都要等待了，為什麼還要採用非同步的模式呢？不過，這二者間其實還是有所差異。因為當你採用非同步的模式時，當你在主流程中啟動讀取動作之後，你還是有機會做一些其他的事情，直到你確定主流程沒有其他的動作可做，必須等待資料到來，才能繼續下一步的動作時，你就可以使用這種方式持續等到資料的到來。而這毫無疑問的當然是一個達成同步的操作。

        而第二種就是所謂的「回呼（callback）」，在這種模式下，主流程在啟動非同步讀取動作的同時，也一併指定了一個回呼的處理常式（callback handler），例如在C語言中，它可能就是個函式指標。啟動之後，主流程便可以繼續執行其他的動作，當資料讀得之後，所指定的回呼處理常式便會被呼叫，並且被傳入和資料有關的各項資訊，例如所讀得資料的長度以及內容。由於這個回呼的處理常式並不在主流程中（若從執行緒的角度來看，它就是在主執行緒之外的另一個獨立執行緒中），所以，它所取得的資料和主流程之間，還是必須透過某種同步的機制來溝通，才能使得主流程得以妥善的運用所讀的資料。

        第三種方式則被稱為「輪詢（polling）」。顧名思義，其動作就是反覆不斷的詢問，詢問是否有可讀的資料。當啟動非同動的讀取動作之後，主流程仍然可以執行其他的動作，但是在他需要資料的時候，它可以不斷的詢問是否已有可供讀取的資料，一直問到資料讀得為止。

從上述的三種方式你不難發現，即使資料的讀取本質上本來就是非同步的，但是在程式中操作資料時，最終還是需要一個同步的動作，才能使主流程和資料取得兩件事「協同步伐」。

不論是同步或是非同步的程式設計模型，都各自有適合的應用情境。了解其本質及運作的特性，才能夠更輕易的駕馭它們。



出處 ： 王建興作者