异步编程callback

什么是异步？

你早上起来做饭，把食材放入之后，设定好时间，如果你只是等待，没有离开做别的事，就是同步；但你不会一直等着，多半会玩手机，或者打扫之类的，等到时间到了，或者打扫完了，才去吃饭，那就是异步。

什么是异步编程？

要看异步编程，先看同步编程。什么是同步。同步，synchronous.就是按代码编写的顺序，从上往下顺序执行。

每个Task依次执行，T1执行完，T2才能执行；T3有错误了，T4就不能执行。

一般地，程序正常执行，但是遇到耗时的任务，怎么办？比如大文件上传/下载、调用第三方服务、哈希运算等。执行这些任务时，会使当前线程什么也做不了，持续长时间消耗在这个任务上，或者只是等待第三方调用返回，无法及时处理其他任务。并不能及时处理并发任务。

也就是说，后面的任务依赖于当前任务，当前任务无法完成，就不能继续往下执行。这就阻塞了当前线程。
这该怎么处理？现代处理器的多核架构，我们可以简单粗暴地就直接开一个线程，处理耗时的任务。

如上图，耗时的任务可以放到另一个线程，保证主线程不阻塞。但这也有问题：

多线程编程很麻烦，如果不同线程间任务有依赖，线程间通信和调度麻烦
一个线程遇到耗时任务就只能等待，那么计算资源就浪费了，并没有最大化利用硬件资源。

生活中，我们没有连续的一小时来玩游戏，但是你排队吃饭的时候玩10分钟，通勤的时候玩10分钟，睡前玩30分钟，60分钟的分钟都是拆成了更小的任务，一点一点完成。这就实现了异步。

异步是把任务拆分之后交替执行，而不是一个执行完再执行下一个。

显然，异步的处理，需要更多的代码来处理控制逻辑，怎样拆分任务，任务之间的依赖如何处理，等等。如果都是单线程，为什么要选异步呢？操作起来还更复杂。

再来看玩游戏的例子，为什么不等玩游戏结束了再去坐公交？因为坐公交更紧急，而游戏可以之后再玩。UI编程中，总是优先处理点击、输入这些交互事件，而不是等待文件下载，阻塞在那里。

那么异步如何实现？

现代编程有多种异步的实现方式，比如callback、Promise/Future、async/await.先来看一看callback。

什么是callback？

callback，回调。在计算机编程中，一个回调是对某一块可执行代码的引用，被引用的代码作为参数传递给另一块代码。即，call then back.

这个调用在同步回调中就立即执行，在异步回调中就在之后的某个时间执行。也称为阻塞和非阻塞。

C语言中的回调

回调函数还在函数调用的context中执行。通过函数指针来实现同步回调，将一个函数的地址传给另一个函数。

#include<stdio.h>

typedef void (*Handler)();

typedef struct {
  int height;
  Handler onClick;
} Button;

// 注册回调
void register_handler(Button* button, Handler handler) {
  button->onClick = handler;
  button->onClick();
}

void callbackA() {
  printf("button was clicked!\n");
}

void callbackB() {
  printf("Don't click any more!\n");
}

int main() {
  Button loginButton;
  loginButton.height = 10;

  register_handler(&loginButton, callbackA);
  register_handler(&loginButton, callbackB);

  return 0;
}

有没有很像OOP中的控制反转，这就是C语言的IoC实现。

但这也是同步执行的啊，回调如何实现异步执行呢？

最简单的就是定时器回调，就好比，遇到重要的事情，暂时玩不了游戏，我们会设置一个提醒，到晚上10点，玩游戏。

#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>

// 定义回调函数类型
typedef void (*callback)(int);

// 定义定时器结构体
typedef struct {
  time_t expire;
  callback cb;
  int args;
} timer;

// 创建定时器
timer create_timer(int delay, callback cb, int data) {
  timer t;
  t.expire = time(NULL) + delay;
  t.cb = cb;
  t.args = data;
  return t;
}

// 检查定时器是否到期，如果到期则调用回调函数
void check_timer(timer *t) {
  if (time(NULL) >= t->expire) {
    t->cb(t->args);
  }
}

void timer_callback(int data) { 
  printf("Timer expired, data: %d\n", data);
}

int main() {
  // 创建一个2秒后到期的定时器
  timer t = create_timer(2, timer_callback, 123);

  // 主事件循环
  while (1) {
    check_timer(&t);
    sleep(4); // 模拟事件循环中的其他操作
    printf("execute first\n");
  }

  return 0;
}

execute first
Timer expired, data: 123
execute first
Timer expired, data: 123
execute first
Timer expired, data: 123
...

可以看到，先执行了后面的printf语句，时间到了之后，才执行定时器回调中的printf语句。

JS中的回调

const arr = [12, 21, 22];
const callback1 = x => x * 2;
arr.map(callback1);


// 异步回调
// timer callback
const callback2 = () => console.log("zz");
setTimeout(callback2, 3000)

// UI callback
const addButton = document.querySelector("#add")
addButton.addEventListener("click", () => {
  console.log("You clicked #addButton")
})

function callback3(msg) {
  console.log(`${msg}\n`);
}

// network callback
(function fetch() {
  const xhr = new XMLHttpRequest();

  xhr.onreadystatechange = function () {
    if (this.readyState == 4 && this.status == 200) {
      // Typical action to be performed when the document is ready:
      callback3(xhr.responseText);
    }
  };
  xhr.open("GET", "https://raw.githubusercontent.com/mdn/content/main/files/en-us/_wikihistory.json", true);

  xhr.send();
})()

由于Chrome浏览器的多进程架构，Browser Process中有网络线程、UI线程、存储线程等。所以，JS中有些异步，是通过浏览器的多线程来实现的。

为什么要用异步编程？

换句话说，异步相比于同步，优点在哪里？

上面提到，同步容易阻塞当前线程，而异步是非阻塞的。也就是说对于经常阻塞的情况，异步是优于同步的。好比等车的时候，在地铁上，一般会掏出手机玩游戏，因为必须等，等车到站。那么，什么情况下，线程必须要等呢？等待执行I/O操作。大量的I/O操作，同步线程的执行是这样的：

CPU 的数据传输速率比磁盘或网络连接快几个数量级。因此，同步执行大量 I/O 的程序将在磁盘或网络上花费大量时间阻塞。这就是阻塞IO。异步把需要等待的任务都放到最后，总的等待时间减少了。

所以，异步在这种情况下效率更高：

任务量大，但总是有任务可以继续
任务执行了大量I/O，导致同步程序在阻塞时浪费大量时间
任务之间大部分相互独立，不需要任务间通信

这些条件几乎完美符合了C/S架构中一个繁忙的网络服务器的特点。每个task表示一个客户端请求。异步模型的应用之一就是web服务器，这也是为什么近年来Node.js越来越流行。

参考资料

Introduction to Asynchronous Programming

Feynman