认识计算机系统的异步本质
novakon2016/03/04软件综合 IP:广东
图灵机是一切现代计算机的基础。它是一种具有状态的机器,机器下一步要做什么取决于当前的状态(也包括纸条的位置)。如果将当前的状态清除,程序将无法正常运行下去。图灵机的运行轨迹,就如同一根针带着一缕线,在纸条上来回穿行。
这个模型被多种技术实现,最终人类造出了基于半导体的CPU;而CPU指令集又经过多次抽象,最终形成了高级编程语言;然而高级编程语言(例如BASIC或C语言)却依然保留着图灵机的影子——每一条语句执行完之后,变量处于一定的状态(拥有一定的值),然后执行下一条语句,下一条语句可能使用或者修改这个变量的值,或者跳回之前的某条语句。这种穿针引线的程序执行方式,就是“同步”(synchronous),也是绝大多数人从第一次接触程序设计开始,就根深蒂固的概念。

最早的时候,电子计算机通过一定的外界信号控制,从纸带读入并按照步骤执行某个程序。一段时间过去,虽然计算机的速度越来越快,从外界获取信息的速度却增长缓慢;向外界输出信息的速度(例如通过打印机)也十分有限。到后来问题越发严重:计算机用于输入输出的时间比实际进行运算的时间还要长,这是对资源的极大浪费。个人计算机的普及也突出了这个问题:输入命令所耗费的时间往往比执行命令的时间更长,却无法利用这些时间让CPU处理其他任务。
最后大家得出结论:像图灵机那样一条线运行的计算机,实在是太不好用了。
于是人们就希望计算机能够同时运行多个程序。为了同时运行多个程序,科学家们想了个办法:用一台图灵机,模拟多台图灵机,然后让程序分别在多台虚拟的图灵机上运行。这些虚拟的图灵机可以共用外部的输入和输出设备,输入输出设备只有在接受或提交结果的时候,才通过“中断”信号通知计算机读取或写入。因此在输入输出等非常耗时但不需要计算机参与的过程中,计算机可以做其他事情。
于是就产生了可以并行运行大量程序的现代操作系统。
未完待续

[修改于 8年2个月前 - 2016/03/04 21:31:19]

来自:计算机科学 / 软件综合
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~~空空如也
法式油炸薯条
8年2个月前 IP:甘肃
811201
多任务大法好
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novakon作者
8年2个月前 IP:广东
811216
现代操作系统内核的主要工作,就是虚拟许多个同时运行的【线程】,在线程之间通过高速切换实现多任务并行。例如,操作系统允许程序A所在的线程运行1毫秒,然后将这个线程的所有“状态”(所有寄存器的值)缓存起来,再将程序B所在线程的“状态”恢复到操作系统寄存器中,继续运行程序B。这样对于每一个独立的程序来说,其“状态”是稳定的,如同直接运行在独立的CPU上一样。于是我们可以用“同步”的方式编写程序,让操作系统帮我们解决“异步”的问题。


为什么叫“异步”呢?因为从操作系统的角度来看,没有一个用户程序是在CPU上按照指令一路执行到底的,而是根据外部事件(比如上一个例子中的1毫秒定时器)动态切换的。两个程序同时运行,也没有办法确定地指出哪个会先执行完。


其实这是大部分自然过程的本质;自然界里没有什么事情会完美地按照某个确定的顺序发生——同时在过程中不受环境影响——
最后只产生一个确定的结果。所有的事情都以异步的方式进行着,毕竟大自然里不存在像图灵机这样的理想机器。


在操作系统中,每个【线程】的存在都会占用一定的资源。例如某个网络通信程序,它的任务是组织10000个用户聊天,需要创建10000个TCP连接。代码很简单:先接收用户输入,然后根据一定规则转发给其他用户。但如果将这段代码编译成程序,在操作系统中创建10000个线程分别处理用户输入,会占用GB级别的内存空间,而操作系统在10000个线程间来回切换也是一件很痛苦的事情。怎么办呢?


最常见的做法是,放弃操作系统线程带来的便利(同步编程),在应用程序内部实现一个异步的架构:由一个线程监听所有用户发来的聊天数据(用户之间通过数据包头区分),每当数据包到达时根据其中的用户信息,根据一定规则转发给其他用户。如果同时有两个用户发来数据包,则数据包会在网卡的缓冲区内排队等待线程按顺序读取。这种程序设计方法,称为异步编程。通常,在应用程序内部实现异步,比借用操作系统线程,性能上要高得多(没有资源上的额外开销)。因此,许多要求软实时性、大规模并发、高可靠的计算机系统,其软件都采用异步/事件驱动/虚拟机架构。


C语言的众多函数库多是为同步编程设计的。在异步编程技术突飞猛进的今天,我们拥有了越来越多的选择;其中Node.js在短短6年里就成为了高性能网络服务器最重要的开发语言。它拥有接近于C语言的性能,以及闭包特性,最重要的是将异步编程的基础——事件队列——变成了基础设施,而不是仅仅提供一个函数库。


然而异步编程最大的问题在于,没有办法用同步的方式——也是大部分编程爱好者最喜爱的方式——撰写含有异步调用的程序。这成为了许多编程爱好者进步的瓶颈,闻异步而色变。


贴出科创网络发展局 新KC论坛项目的一部分代码。XXXXXXXXXXXXXXXXXX/ctmakro/nkc2


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hchc0834
8年2个月前 IP:香港
811220
引用 法式油炸薯条:
多任务大法好
好彪悍的言论...我擦..让我瞬间就打了鸡血了..
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.........
8年2个月前 IP:广东
811221
对于服务器来说,GB级内存挺小的,线程切换开销也不是问题,最大的问题在于线程同步。
当然,事件队列加事件循环很好的解决了线程同步的问题,但是也牺牲了性能。
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hchc0834
8年2个月前 IP:香港
811223
引用 novakon:
现代操作系统内核的主要工作,就是虚拟许多个同时运行的【线程】,在线程之间通过高速切换实现多任务并行。例如,操作系统允许程序A所在的线程运行1毫秒,然后将这个线程的所有“状态”(所有寄存器的值)缓存起来,再将程序B所在线程的“状态”恢复到操作...
现在的计算机问题.处理器问题.都是以前图灵磁带机.纸条机.作为思路开发出来的..
原理都差不多.哪怕现在发展到这地步.除了那些硬件大神.哪些人能真正弄清楚了??
量子计算机不说了..太科幻了..
有生之年见见全激光芯片做成的计算机也算不错了..
至少激光处理器民用阶段比量子计算容易的多..
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acmilan
8年2个月前 IP:四川
811240
Windows本身也是异步的。。。大多数向系统注册的回调函数和STA线程模型的COM组件会在GetMessage()调用期间被调用,少数则会在DispatchMessage()期间被调用。
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acmilan
8年2个月前 修改于 8年2个月前 IP:四川
811332
单线程异步编程,是最简单也应用最广泛的异步编程形式,一般是注册个回调函数或同步事件,然后将线程处于idle状态(比如调用GetMessage/SleepEx/MsgWaitForSingleObject等),由系统在idle状态调用回调函数或触发同步事件,使得程序继续运行。使用这种异步形式需要考虑的问题最少,只需要注意,一是代码执行时间不要过长,二是回调函数触发顺序不能预测。由于函数触发顺序不能预测,所以要注意状态的传递问题。语言的闭包特性可以使得程序状态被继承,大大简化了异步编程。

多线程异步编程,一般是注册个回调函数,然后由系统直接创建新线程执行。比如.NET中的XXXXXXXXXreading.Timer。使用这种异步形式,不用担心代码执行时间过长的问题,但要考虑访问公共资源的同步问题,不然程序可能会出现错误结果甚至崩溃。这种异步形式对于系统资源的消耗也是比较大的。

中断是另一种异步编程,中断可以在非idle状态触发,并插入尚未执行完的程序中执行。中断异步编程最麻烦,除了上面所说的问题之外,还要考虑状态保护问题,不然正在执行的程序容易跑飞,甚至导致系统崩溃。大多数现代操作系统都将中断机制封装在ring0层,不允许ring3程序挂钩中断。

在JavaScript中异步编程应用非常广泛,是历史中长期没有多线程支持造成的。
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fuwen0202
8年2个月前 IP:浙江
811370
不是恨明白,
第一种是状态机?
第二种是轮询?
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.........
8年2个月前 IP:广东
811373
引用 fuwen0202:
不是恨明白,
第一种是状态机?
第二种是轮询?
状态机、任务和线程都是说的一种东西。
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acmilan
8年2个月前 IP:四川
811384
异步要想玩得爽,关键是要有闭包。。。
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novakon作者
8年2个月前 IP:广东
811495
引用 acmilan:
异步要想玩得爽,关键是要有闭包。。。
非常同意此观点。
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mingjunwudi
8年1个月前 IP:福建
812177
异步是同步模拟出来的,那么还不是单一线程执行到底吗?无非是一条路跑上跑下的。
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dgxl
7年11个月前 IP:北京
819005
引用 mingjunwudi:
异步是同步模拟出来的,那么还不是单一线程执行到底吗?无非是一条路跑上跑下的。
现在的计算机基本都是这样的,不过因为它换的很快(毫秒级),表现出来就像好几个任务同时进行一样
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phpskycn
7年11个月前 IP:浙江
819017
引用 dgxl:
现在的计算机基本都是这样的,不过因为它换的很快(毫秒级),表现出来就像好几个任务同时进行一样
现在的情况要复杂一点,需要考虑到同时存在多个逻辑处理器的情况
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acmilan
7年11个月前 IP:四川
819087
不过。。。异步要想玩的更爽,async和await还是必不可少的。。。→_→
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