C# 同步和异步（概念理解）

C#  同步和异步

IO 概念区分

四个相关概念：

1. 同步（Synchronous）
2. 异步( Asynchronous)
3. 阻塞( Blocking )
4. 非阻塞( Nonblocking)

同步异步图解

通俗理解 （易懂）

同步异步 指的是在客户端

同步意味着 客户端提出了一个请求以后，在回应之前只能等待

异步意味着 客户端提出一个请求以后，还可以继续提其他请求

阻塞非阻塞 指的是服务器端

阻塞意味着 服务器接受一个请求后，在返回结果以前不能接受其他请求

非阻塞意味着 服务器接受一个请求后，尽管没有返回结果，还是可以继续接受其他请求

同步异步侧重点（关键）

1.同步与异步 ：关注的是消息通信机制

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：

同步通信机制
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）。

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：关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态.

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。

不同模型的理解

为了更好的理解异步编程模型的特点，我们来回顾一下两个大家都熟悉的模型。在阐述过程中，我们假设一个包含三个相互独立任务的程序。在此，除了规定这些任务都要完成自己工作外，我们先不作具体的解释，后面我们会慢慢具体了解它们。请注意：在此我用"任务"这个词，这意味着它需要完成一些事情。

第一个模型是单线程的同步模型，如图1所示：

图1 同步模型

这是最简单的编程方式。在一个时刻，只能有一个任务在执行，并且前一个任务结束后一个任务才能开始。如果任务都能按照事先规定好的顺序执行，最后一个任务的完成意味着前面所有的任务都已无任何差错地完成并输出其可用的结果—这是多么简单的逻辑。 下面我们来呈现第二个模型，如图2所示：

图2 线程模型

在这个模型中，每个任务都在单独的线程中完成。这些线程都是由操作系统来管理，若在多处理机、多核处理机的系统中可能会相互独立的运行，若在单处理机上，则会交错运行。关键点在于，在线程模式中，具体哪个任务执行由操作系统来处理。但编程人员则只需简单地认为：它们的指令流是相互独立且可以并行执行。虽然，从图示看起来很简单，实际上多线程编程是很麻烦的，你想啊，任务之间的要通信就要是线程之间的通信。线程间的通信那不是一般的复杂。什么邮槽、通道、共享内存。。。 唉—__-

一些程序用多处理机而不是多线程来实现并行运算。虽然具体的编程细节是不同的，但对于我们要研究的模型来说是一样的。

下面我们来介绍一下异步编程模型，如图3所示

图3 异步模型

在这个模型中，任务是交错完成，值得注意的是：这是在单线程的控制下。这要比多线程模型简单多了，因为编程人员总可以认为只有一个任务在执行，而其它的在停止状态。虽然在单处理机系统中，线程也是像图3那样交替进行。但作为程序员在使用多线程时，仍然需要使用图2而不是图3的来思考问题，以防止程序在挪到多处理机的系统上无法正常运行（考虑到兼容性）。但单线程的异步程序不管是在单处理机还是在多处理机上都能很好的运行。

在异步编程模型与多线程模型之间还有一个不同：在多线程程序中，对于停止某个线程启动另外一个线程，其决定权并不在程序员手里而在操作系统那里，因此，程序员在编写程序过程中必须要假设在任何时候一个线程都有可能被停止而启动另外一个线程。相反，在异步模型中，一个任务要想运行必须显式放弃当前运行的任务的控制权。这也是相比多线程模型来说，最简洁的地方。 值得注意的是：将异步编程模型与同步模型混合在同一个系统中是可以的。但在介绍中的绝大多数时候，我们只研究在单个线程中的异步编程模型。

动机

我们已经看到异步编程模型之所以比多线程模型简单在于其单指令流与显式地放弃对任务的控制权而不是被操作系统随机地停止。但是异步模型要比同步模型复杂得多。程序员必须将任务组织成序列来交替的小步完成。因此，若其中一个任务用到另外一个任务的输出，则依赖的任务（即接收输出的任务）需要被设计成为要接收系列比特或分片而不是一下全部接收。由于没有实质上的并行，从我们的图中可以看出，一个异步程序会花费一个同步程序所需要的时间，可能会由于异步程序的性能问题而花费更长的时间。

因此，就要问了，为什么还要使用异步模型呢？ 在这儿，我们至少有两个原因。首先，如果有一到两个任务需要完成面向人的接口，如果交替执行这些任务，系统在保持对用户响应的同时在后台执行其它的任务。因此，虽然后台的任务可能不会运行的更快，但这样的系统可能会受欢迎的多。

然而，有一种情况下，异步模型的性能会高于同步模型，有时甚至会非常突出，即在比较短的时间内完成所有的任务。这种情况就是任务被强行等待或阻塞，如图4所示：

图4 同步模型中出现阻塞

在图4中，灰色的部分代表这段时间某个任务被阻塞。为什么要阻塞一个任务呢？最直接的原因就是等待I/O的完成：传输数据或来自某个外部设备。一个典型的CPU处理数据的能力是硬盘或网络的几个数量级的倍数。因此，一个需要进行大I/O操作的同步程序需要花费大量的时间等待硬盘或网络将数据准备好。正是由于这个原因，同步程序也被称作为阻塞程序。

从图4中可以看出，一个可阻塞的程序，看起来与图3描述的异步程序有点像。这不是个巧合。异步程序背后的最主要的特点就在于，当出现一个任务像在同步程序一样出现阻塞时，会让其它可以执行的任务继续执行，而不会像同步程序中那样全部阻塞掉。因此一个异步程序只有在没有任务可执行时才会出现"阻塞"，这也是为什么异步程序被称为非阻塞程序的原因。 任务之间的切换要不是此任务完成，要不就是它被阻塞。由于大量任务可能会被阻塞，异步程序等待的时间少于同步程序而将这些时间用于其它实时工作的处理（如与人打交道的接口），这样一来，前者的性能必然要高很多。

与同步模型相比，异步模型的优势在如下情况下会得到发挥：

1. 有大量的任务，以至于可以认为在一个时刻至少有一个任务要运行
2. 任务执行大量的I/O操作，这样同步模型就会在因为任务阻塞而浪费大量的时间
3. 任务之间相互独立，以至于任务内部的交互很少。

这些条件大多在CS模式中的网络比较繁忙的服务器端出现（如WEB服务器）。每个任务代表一个客户端进行接收请求并回复的I/O操作。客户的请求（相当于读操作）都是相互独立的。因此一个网络服务是异步模型的典型代表，这也是为什么twisted是第一个也是最棒的网络库。