关于同步与异步的那些事儿

Posted 2020-07-24 写代码是一种艺术，甚于蒙娜丽莎的微笑！

同步和异步是两个非常的重要的概念，其应用范围也很广，例如进程的同步与异步，同步传输和异步传输等。对于这两个概念总是有些模糊不解的地方，一时也难以说清。所以就搜集了一些资料，并做了相关整理，深度剖析一下同步与异步机制。

进程的同步与异步

进程同步：在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不能返回。冯诺依曼的一句话可以描述进程的同步-“程序放入内存，顺序执行”。也就是说同步必须保证事件的执行顺序，前面的事件是后面事件执行的基础，后面事件要想执行就必须等待前面的事件执行完毕。进程间的同步关系是指进程间相互依赖，例如消费者与生产的关系。实际中用到的例子如SendMessage，该函数发送一个消息给某个窗口，在对方处理完消息之前，该函数不会返回。当对方处理完毕以后，该函数才把消息处理函数所返回的LRESULT值返回调用者。

SendMessage(...)  
TRACE0("just  like  send");  

SendMessage是调用的时候不会回，等消息响应后才执行TRACE0。

异步的概念和同步相对，当一个异步过程调用发送后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调方式来告知调用者。例如这样的一个例子：小明玩手机。如下图去所示：

图1

当手机充电时，可以选择等待，但等待是无聊的，这样就可以看电视打发时间。等手机充满电时，就可以继续玩手机。这其中，就有同步和异步的过程。同步就是，手机没电了可以调用充电函数给手机充电，必须等到手机充满之后才可以继续玩手机。也即是说，当充电结束才能继续玩手机。异步就是，在调用充电函数之后，可以不必等待该函数执行完毕，而是去看电视。等到充电函数完成后，可以利用状态、通知和回调方式来获取调用结果。

和SendMessage对应的是PostMessage。

PostMessage(...)  
TRACE0("just  like  WSASend  using  overlapped");  

PostMessage是调用后马上返回,不用消息响应就执行TRACE0。

实际上同步就是调用模块等待一个被调用体返回后，再继续下一步。

而异步是调用模块发起调用之后，不用等待调用返回就继续下一步了。

同步传输与异步传输

在网络通信中，通信双方要交换数据，需要高度的协同工作。为了正确的解释信号，接收方必须确切地知道信号应当何时接收和处理，因此定时是至关重要的。在计算机网络中，定时的因素成为位同步。同步是要接收方按照发送方发送的每个位的起止时刻和速率来接收数据，否则就会产生误差。通常可以采用同步或异步的传输方式对位进行同步处理。

异步传输（Asynchronous Transmission）：异步传输将比特流分成小组进行传送，单位可以是8位的1个字符或者更长。发送方可以再任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。键盘可以在任何时刻发送代码，这取决于用户的输入速度，内部的硬件必须能够在任何时刻接收一个键入的字符。

异步传输存在一个潜在的问题，即接收方并不知道数据会在什么时候到达。在它检测到数据并做出响应之前，第一个比特已经过去了。这就像有人出乎意料地从后面走上来跟你说话，而你没来得及反应过来，漏掉了最前面的几个词。因此，每次异步传输的信息都以一个起始位开头，它通知接收方数据已经到达了，这就给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间；在传输结束时，一个停止位表示该次传输信息的终止。按照惯例，空闲（没有传送数据）的线路实际携带着一个代表二进制1的信号，异步传输的开始位使信号变成0，其他的比特位使信号随传输的数据信息而变化。最后，停止位使信号重新变回1，该信号一直保持到下一个开始位到达。例如在键盘上数字“1”，按照8比特位的扩展ASCII编码，将发送“00110001”，同时需要在8比特位的前面加一个起始位，后面一个停止位。

异步传输的实现比较容易，由于每个信息都加上了“同步”信息，因此计时的漂移不会产生大的积累，但却产生了较多的开销。在上面的例子，每8个比特要多传送两个比特，总的传输负载就增加25%。对于数据传输量很小的低速设备来说问题不大，但对于那些数据传输量很大的高速设备来说，25%的负载增值就相当严重了。因此，异步传输常用于低速设备。

同步传输（Synchronous Transmission）：同步传输的比特分组要大得多。它不是独立地发送每个字符，每个字符都有自己的开始位和停止位，而是把它们组合起来一起发送。我们将这些组合称为数据帧，或简称为帧。

数据帧的第一部分包含一组同步字符，它是一个独特的比特组合，类似于前面提到的起始位，用于通知接收方一个帧已经到达，但它同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，使收发双方进入同步。
帧的最后一部分是一个帧结束标记。与同步字符一样，它也是一个独特的比特串，类似于前面提到的停止位，用于表示在下一帧开始之前没有别的即将到达的数据了。

同步传输通常要比异步传输快速得多。接收方不必对每个字符进行开始和停止的操作。一旦检测到帧同步字符，它就在接下来的数据到达时接收它们。另外，同步传输的开销也比较少。例如，一个典型的帧可能有500字节（即4000比特）的数据，其中可能只包含100比特的开销。这时，增加的比特位使传输的比特总数增加2.5%，这与异步传输中25 %的增值要小得多。随着数据帧中实际数据比特位的增加，开销比特所占的百分比将相应地减少。但是，数据比特位越长，缓存数据所需要的缓冲区也越大，这就限制了一个帧的大小。另外，帧越大，它占据传输媒体的连续时间也越长。在极端的情况下，这将导致其他用户等得太久。
同步传输方式中发送方和接收方的时钟是统一的、字符与字符间的传输是同步无间隔的。
异步传输方式并不要求发送方和接收方的时钟完全一样，字符与字符间的传输是异步的。

同步与异步传输的区别

1. 异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。
2. 异步传输的单位是字符而同步传输的单位是桢。
3. 异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会，而同步传输则是以数据中抽取同步信息。
4. 异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。
5. 异步传输相对于同步传输效率较低。

阻塞与非阻塞

阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。函数只有在得到结果之后才会返回。有人也许会把阻塞调用和同步调用等同起来，实际上他是不同的。对于同步调用来说，很多时候当前线程还是激活的，只是从逻辑上当前函数没有返回而已。例如，我们在CSocket中调用Receive函数，如果缓冲区中没有数据，这个函数就会一直等待，直到有数据才返回。而此时，当前线程还会继续处理各种各样的消息。如果主窗口和调用函数在同一个线程中，除非你在特殊的界面操作函数中调用，其实主界面还是应该可以刷新。socket接收数据的另外一个函数recv则是一个阻塞调用的例子。当socket工作在阻塞模式的时候，如果没有数据的情况下调用该函数，则当前线程就会被挂起，直到有数据为止。

非阻塞和阻塞的概念相对应，指在不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回。
对象的阻塞模式和阻塞函数调用
对象是否处于阻塞模式和函数是不是阻塞调用有很强的相关性，但是并不是一一对应的。阻塞对象上可以有非阻塞的调用方式，我们可以通过一定的API去轮询状态，在适当的时候调用阻塞函数，就可以避免阻塞。而对于非阻塞对象，调用特殊的函数也可以进入阻塞调用。函数select就是这样的一个例子。