Асинхронное программирование: виды, классификация, принципы программирования, концепция, значение и применение

Асинхронное программирование (АП) — это форма параллельного программирования, которая позволяет структурной единице системы работать отдельно от основного потока приложения. Когда работа завершена, она уведомляет основной поток о том, была ли работа завершена или нет. Такое программирование выгодно, так как оно увеличивает поддерживаемую пропускную способность, что делает ее привлекательной, учитывая растущую потребность интернета в системах с высокой масштабируемостью.

Модели асинхронного программирования

Для того чтобы обработать непрерывность результата неблокирующих операций после их завершения, были созданы различные модели АП. Преимущества их оцениваются с точки зрения того, насколько они позволяют приблизиться к схеме, наиболее близкой к последовательной.

Типы моделей АП:

1. Continuations step model — преемственная ступенчатая модель. Это наиболее используемая асинхронность в Node JS. Каждая функция получает информацию о том, как она должна обрабатывать в операции результат успеха или ошибки.
2. Event model — модель события, использует управляемую событиями архитектуру, которая позволяет неблокирующим операциям сообщать об их завершении по признакам успеха или неудачи, требует корреляция для синхронизации.
3. Promise model — модель обещания, объясняется возвращаемыми значениями неблокирующих операций независимо от момента времени, в который были получены указанные значения успеха или неудачи.
4. Generator model — модель генератора. Генераторы используются для временного возврата управления вызывающей программе и последующего возврата к подпрограмме, путем восстановления состояния в точке, в которой ее выполнение было прекращено.

Архитектурные принципы Node

Несмотря на то что в последнее время Node JS получает резкую критику в отношении использования им вычислительных циклов из-за однопоточной среды, его философия, основанная на трех сильных архитектурных принципах, остается востребованной.

JavaScript асинхронен по своей природе, как и Node. Платформа для запуска серверного JavaScript, Node.js была представлена в 2009 году с использованием асинхронной модели ввода-вывода, управляемой событиями, что делает ее эффективной и масштабируемой.

Чат является наиболее типичным примером многопользовательского приложения Node.js в реальном времени. Начиная с IRC для многих проприетарных и открытых протоколов на нестандартных портах, появилась возможность реализовывать все в современных Noje.js с WebSockets, работающими по умолчанию на том же порте 80, который прослушивает новые сообщения, отправленные их клиентами. На стороне клиента есть HTML-страница с несколькими настроенными обработчиками, одна для кнопки «Отправить», выбирающая сообщение и отправляющая его в WebSocket, и другая, которая прослушивает сообщения, поступающие на клиент. Очевидно, что это простая и базовая модель, но основанная на другой дисперсии сложности.

Неактивная модель, которую Node JS использует в API для поддержки асинхронного программирования, является шагом к продолжению. Каждая неблокирующая операция получает функцию в качестве последнего параметра, которая включает логику продолжения. Она будет вызвана после окончания операции, как для обработки результатов в случае успеха, так и для устранения ошибок. Функция продолжения позволяет указать операции блокировки, как она должна продолжаться после завершения операции.

Управление последовательным потоком

Для того чтобы в рамках этой модели продолжить установление последовательных потоков выполнения, необходимо объединить каждую последующую функцию в цепочку, как продолжение предыдущей, где результаты будут обрабатываться в случае успеха или неудачи. Это приводит к диагонализации кода, который был назван пирамидой ада (ад обратного вызова), из-за отсутствия практической управляемости, если только число последовательных цепочек растет минимально.

Распараллеливание — асинхронное выполнение неблокирующих операций происходит немедленно, так как его простой вызов выполняется в фоновом режиме по определению. Чтобы превратить блокирующие операции в неблокирующие, требуется небольшой процесс инкапсуляции, который запускает операцию в фоновом режиме.

Синхронизация функций продолжения

Она требует цепочки в конце каждой параллельной последовательности функции завершения, которая применяет определенную логику только после того, как будет подтверждено, что все параллельные ветви завершены. Для реализации этой проверки используются диаграммы на основе счетчиков.

Пример с помощью продолжателей:

1. Параллельность, цикл позволяет выполнять все неблокирующие пары считывания-счета неблокирующим способом.
2. Последовательность, каждая пара считывания считывается через шаг функций продолжения.
3. Синхронизация, каждая параллельная ветвь получает последнее продолжение, которое выполняет логику завершения, как только будет обеспечено завершение всех ветвей.

Библиотеки продолжателей

Существует множество библиотек, которые могут помочь упростить жизнь разработчикам, работающих с моделью АП. Некоторые из них связаны не только с АП, но и с функциональной парадигмой, которая обусловлена тем фактом, что механизмы внедрения соединений, по сути, являются функциональными преимуществами.

Виды библиотек:

1. Async, пожалуй, самая известная и широко используемая библиотека для асинхронного программирования на основе продолжателей. Она предлагает различные методы управления потоком для неблокирующих функций.
2. Join — является реализацией метода синхронизации, который можно найти в других языках, таких как C и работающего с потоками. Это может также использоваться в обещаниях, хотя в данном случае его использование менее актуально.
3. Fn.js — отличная библиотека, которая реализует различные функциональные методы управления. Его практическая применимость в этом контексте связана с возможностями, которые он предоставляет для генерации неблокирующих функций и применения проверки.

Преимущества и недостатки

Асинхронное программирование на основе продолжателей хороший вариант для ситуаций с простой логикой управления потоком. Обычно это относится к программам в Node JS, которые позволяют определять неблокирующий ответ на входящие запросы.

Преимущества модели:

1. Простые схемы запроса и ответа.
2. Согласованность со схемами функционального программирования.
3. Легко понять как концептуальный механизм.

Недостатки:

1. Когда логика управления разработана недостаточно, процесс усложняется, что приводит к созданию кода с распределенной функциональной логикой, который трудно читать, понимать и поддерживать.
2. Сложность в определении логики управления потоками.
3. Сложно настраиваемые механизмы синхронизации.
4. Логика управления распределяется между каждой неблокирующей ветвью.

Модель, управляемая событиями

Событие является сигналом в бизнес-экосистеме. Анатомически они обычно состоят из типа, временной метки и набора данных, характеризующих контекст, в котором произошло событие. Архитектура событий (EDA) обеспечивает механизм связи между клиентами и поставщиками в отношениях 1: N и с номинальной развязкой. Одно из многих его применений — устранение проблем асинхронной обработки данных.

В централизованных архитектурах, управляемых событиями, существует центральная коммуникационная шина-посредник, которая отвечает за обеспечение эффективности процесса регистрации прослушивающих клиентов и запуска уведомлений по требованию поставщиков к ним. Этот механизм допускает мощность N:N, а схема называется шаблоном PUB/SUB.

В распределенных управляемых событиями архитектурах каждый провайдер отвечает за управление подпиской своих клиентов и за отправку уведомлений, при возникновении события. Механизм связи также номинально отделен, но обычно количество провайдеров и клиентов составляет 1:N. Эта схема соответствует наблюдаемой схеме или источникам событий в Node JS jargon.

Вычислительная абстракция: Promise

2019-02-25