最近有人在Twisted郵件列表中提出諸如"為任務(wù)緊急的人提供一份Twisted介紹"的需求。值得提前透露的是，這個(gè)系列并不會(huì)如他們所愿。尤其是介紹Twisted框架和基于Python 的異步編程而言，可能短時(shí)間無(wú)法講清楚。因此,如果你時(shí)間緊急，這恐怕不是你想找的資料。
我相信如果對(duì)異步編程模型一無(wú)所知，快速的介紹同樣無(wú)法讓你對(duì)其有所理解，至少你得稍微懂點(diǎn)基礎(chǔ)知識(shí)吧。我已經(jīng)用Twisted框架幾年了，因此思考過(guò)我當(dāng)初是怎么學(xué)習(xí)它(學(xué)得很慢)并發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)它的最大難度并不在Twisted本身,而在于對(duì)其模型的理解，只有理解了這個(gè)模型，你才能更好去寫(xiě)和理解異步程序的代碼。大部分Twisted的代碼寫(xiě)得很清晰，其在線(xiàn)文檔也非常棒（至少在開(kāi)源軟件這個(gè)層次上可以這么說(shuō)）。但如果不理解這個(gè)模型，不管是讀Twisted源碼還是使用Twisted的代碼更或者是相關(guān)文檔，你都會(huì)感到非常的傷腦筋。
因此，我會(huì)用前面幾個(gè)部分來(lái)介紹這個(gè)模型以讓你掌握它的機(jī)制，稍后會(huì)介紹一下Twisted的特點(diǎn)。實(shí)際上，一開(kāi)始，我們并不會(huì)使用Twisted，相反，會(huì)使用簡(jiǎn)單的Python代碼來(lái)說(shuō)明一個(gè)異步模型是如何工作的。我們?cè)诔醮螌W(xué)習(xí)Twisted的時(shí)，會(huì)從你平常都不會(huì)直接使用的底層的實(shí)現(xiàn)講起。Twisted是一個(gè)高度抽象的體系，因此在使用它時(shí)，你會(huì)體會(huì)到其多層次性。但當(dāng)你去學(xué)習(xí)尤其是嘗試著理解它是如何工作時(shí)，這種為抽像而帶來(lái)的多層次性會(huì)給你帶來(lái)極大的理解難度。所以，我們準(zhǔn)備來(lái)個(gè)從內(nèi)到外，從低層開(kāi)始學(xué)習(xí)它。
為了更好的理解異步編程模型的特點(diǎn)，我們來(lái)回顧一下兩個(gè)大家都熟悉的模型。在闡述過(guò)程中，我們假設(shè)一個(gè)包含三個(gè)相互獨(dú)立任務(wù)的程序。在此，除了規(guī)定這些任務(wù)都要完成自己工作外，我們先不作具體的解釋?zhuān)竺嫖覀儠?huì)慢慢具體了解它們。請(qǐng)注意：在此我用"任務(wù)"這個(gè)詞，這意味著它需要完成一些事情。
第一個(gè)模型是單線(xiàn)程的同步模型，如圖1所示：
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這是最簡(jiǎn)單的編程方式。在一個(gè)時(shí)刻，只能有一個(gè)任務(wù)在執(zhí)行，并且前一個(gè)任務(wù)結(jié)束后一個(gè)任務(wù)才能開(kāi)始。如果任務(wù)都能按照事先規(guī)定好的順序執(zhí)行，最后一個(gè)任務(wù)的完成意味著前面所有的任務(wù)都已無(wú)任何差錯(cuò)地完成并輸出其可用的結(jié)果—這是多么簡(jiǎn)單的邏輯。 下面我們來(lái)呈現(xiàn)第二個(gè)模型，如圖2所示：
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在這個(gè)模型中，每個(gè)任務(wù)都在單獨(dú)的線(xiàn)程中完成。這些線(xiàn)程都是由操作系統(tǒng)來(lái)管理，若在多處理機(jī)、多核處理機(jī)的系統(tǒng)中可能會(huì)相互獨(dú)立的運(yùn)行，若在單處理機(jī)上，則會(huì)交錯(cuò)運(yùn)行。關(guān)鍵點(diǎn)在于，在線(xiàn)程模式中，具體哪個(gè)任務(wù)執(zhí)行由操作系統(tǒng)來(lái)處理。但編程人員則只需簡(jiǎn)單地認(rèn)為：它們的指令流是相互獨(dú)立且可以并行執(zhí)行。雖然，從圖示看起來(lái)很簡(jiǎn)單，實(shí)際上多線(xiàn)程編程是很麻煩的，你想啊，任務(wù)之間的要通信就要是線(xiàn)程之間的通信。線(xiàn)程間的通信那不是一般的復(fù)雜。什么郵槽、通道、共享內(nèi)存。。。 唉—__-
一些程序用多處理機(jī)而不是多線(xiàn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算。雖然具體的編程細(xì)節(jié)是不同的，但對(duì)于我們要研究的模型來(lái)說(shuō)是一樣的。
下面我們來(lái)介紹一下異步編程模型，如圖3所示
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在這個(gè)模型中，任務(wù)是交錯(cuò)完成，值得注意的是：這是在單線(xiàn)程的控制下。這要比多線(xiàn)程模型簡(jiǎn)單多了，因?yàn)榫幊倘藛T總可以認(rèn)為只有一個(gè)任務(wù)在執(zhí)行，而其它的在停止?fàn)顟B(tài)。雖然在單處理機(jī)系統(tǒng)中，線(xiàn)程也是像圖3那樣交替進(jìn)行。但作為程序員在使用多線(xiàn)程時(shí)，仍然需要使用圖2而不是圖3的來(lái)思考問(wèn)題，以防止程序在挪到多處理機(jī)的系統(tǒng)上無(wú)法正常運(yùn)行（考慮到兼容性）。但單線(xiàn)程的異步程序不管是在單處理機(jī)還是在多處理機(jī)上都能很好的運(yùn)行。
在異步編程模型與多線(xiàn)程模型之間還有一個(gè)不同：在多線(xiàn)程程序中，對(duì)于停止某個(gè)線(xiàn)程啟動(dòng)另外一個(gè)線(xiàn)程，其決定權(quán)并不在程序員手里而在操作系統(tǒng)那里，因此，程序員在編寫(xiě)程序過(guò)程中必須要假設(shè)在任何時(shí)候一個(gè)線(xiàn)程都有可能被停止而啟動(dòng)另外一個(gè)線(xiàn)程。相反，在異步模型中，一個(gè)任務(wù)要想運(yùn)行必須顯式放棄當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)的控制權(quán)。這也是相比多線(xiàn)程模型來(lái)說(shuō)，最簡(jiǎn)潔的地方。 值得注意的是：將異步編程模型與同步模型混合在同一個(gè)系統(tǒng)中是可以的。但在介紹中的絕大多數(shù)時(shí)候，我們只研究在單個(gè)線(xiàn)程中的異步編程模型。
我們已經(jīng)看到異步編程模型之所以比多線(xiàn)程模型簡(jiǎn)單在于其單指令流與顯式地放棄對(duì)任務(wù)的控制權(quán)而不是被操作系統(tǒng)隨機(jī)地停止。但是異步模型要比同步模型復(fù)雜得多。程序員必須將任務(wù)組織成序列來(lái)交替的小步完成。因此，若其中一個(gè)任務(wù)用到另外一個(gè)任務(wù)的輸出，則依賴(lài)的任務(wù)（即接收輸出的任務(wù)）需要被設(shè)計(jì)成為要接收系列比特或分片而不是一下全部接收。由于沒(méi)有實(shí)質(zhì)上的并行，從我們的圖中可以看出，一個(gè)異步程序會(huì)花費(fèi)一個(gè)同步程序所需要的時(shí)間，可能會(huì)由于異步程序的性能問(wèn)題而花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。
因此，就要問(wèn)了，為什么還要使用異步模型呢？ 在這兒，我們至少有兩個(gè)原因。首先，如果有一到兩個(gè)任務(wù)需要完成面向人的接口，如果交替執(zhí)行這些任務(wù)，系統(tǒng)在保持對(duì)用戶(hù)響應(yīng)的同時(shí)在后臺(tái)執(zhí)行其它的任務(wù)。因此，雖然后臺(tái)的任務(wù)可能不會(huì)運(yùn)行的更快，但這樣的系統(tǒng)可能會(huì)受歡迎的多。
然而，有一種情況下，異步模型的性能會(huì)高于同步模型，有時(shí)甚至?xí)浅Ｍ怀?，即在比較短的時(shí)間內(nèi)完成所有的任務(wù)。這種情況就是任務(wù)被強(qiáng)行等待或阻塞，如圖4所示：
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在圖4中，灰色的部分代表這段時(shí)間某個(gè)任務(wù)被阻塞。為什么要阻塞一個(gè)任務(wù)呢？最直接的原因就是等待I/O的完成：傳輸數(shù)據(jù)或來(lái)自某個(gè)外部設(shè)備。一個(gè)典型的CPU處理數(shù)據(jù)的能力是硬盤(pán)或網(wǎng)絡(luò)的幾個(gè)數(shù)量級(jí)的倍數(shù)。因此，一個(gè)需要進(jìn)行大I/O操作的同步程序需要花費(fèi)大量的時(shí)間等待硬盤(pán)或網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。正是由于這個(gè)原因，同步程序也被稱(chēng)作為阻塞程序。
從圖4中可以看出，一個(gè)可阻塞的程序，看起來(lái)與圖3描述的異步程序有點(diǎn)像。這不是個(gè)巧合。異步程序背后的最主要的特點(diǎn)就在于，當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)任務(wù)像在同步程序一樣出現(xiàn)阻塞時(shí)，會(huì)讓其它可以執(zhí)行的任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行，而不會(huì)像同步程序中那樣全部阻塞掉。因此一個(gè)異步程序只有在沒(méi)有任務(wù)可執(zhí)行時(shí)才會(huì)出現(xiàn)"阻塞"，這也是為什么異步程序被稱(chēng)為非阻塞程序的原因。 任務(wù)之間的切換要不是此任務(wù)完成，要不就是它被阻塞。由于大量任務(wù)可能會(huì)被阻塞，異步程序等待的時(shí)間少于同步程序而將這些時(shí)間用于其它實(shí)時(shí)工作的處理（如與人打交道的接口），這樣一來(lái)，前者的性能必然要高很多。
與同步模型相比，異步模型的優(yōu)勢(shì)在如下情況下會(huì)得到發(fā)揮：
這些條件大多在CS模式中的網(wǎng)絡(luò)比較繁忙的服務(wù)器端出現(xiàn)（如WEB服務(wù)器）。每個(gè)任務(wù)代表一個(gè)客戶(hù)端進(jìn)行接收請(qǐng)求并回復(fù)的I/O操作?？蛻?hù)的請(qǐng)求（相當(dāng)于讀操作）都是相互獨(dú)立的。因此一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是異步模型的典型代表，這也是為什么twisted是第一個(gè)也是最棒的網(wǎng)絡(luò)庫(kù)。
本部分原作參見(jiàn): dave http://krondo.com/?p=1209
本部分翻譯內(nèi)容參見(jiàn)楊曉偉的博客 http://blog.sina.com.cn/s/blog_704b6af70100py9f.html
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