什么是异步程序

最近在学C#，有一个业务需要用到多线程技术；

记得上大二的时候，选修Java的时候就接触过多线程，只是觉得很深奥，很“高级”。后来在学习和工作的过程中，慢慢的接触到一些周边知识，比如：并发，并行，异步，同步，线程同步，线程安全，协程等。

在看两本书，一本《C#本质论5.0》，一本《C#图解教程》，都是老外写的书。不过我感觉《C#本质论5.0》对于初学者还是有点晦涩，其中一部分原因可能翻译的不咋地，作者对一个知识点的铺陈逻辑有点跳跃，而且很容易一下子就坠入一个技术的很细节，很难懂的部分（比如作者在讲多线程的时候，总是不时的提一下子线程异常的一些“奇技淫巧”，对于初学者会有一种盲人摸象的感觉）。《C#图解教程》就好的多，作者每个知识点都会告诉读者用“某个技术”的固有代码语法套路是什么，然后接着给一个代码示例并用图示标注的方式帮助读者理解，让读者对“某个技术”瞬间掌握一个很宏观的感性印象，之后才会将一些需要注意的细节。

以前接触过C++的Boost库（里面有关于异步操作的类），是第一次接触“异步”程序的概念。其实我用异步技术已经用的很多了，对于使用Matlab进行高密度仿真计算的用户来讲，其中的并行运算parfor工具或者集群运算工具并不陌生。并行运算是异步的一中情况。

包括我在内，很多人可能刚开始搞不清异步编程和多线程编程的区别。真理引用一句我在搜集相关资料时看到的一句话“多线程是手段，异步是目的”。异步程序的实现需要多线程技术吗？？有时候需要有时候不需要。

比如有的资料举的DMA的例子（上过微机原理的应该不陌生），还有获取网页内容的例子。如果读者熟悉上位机软件的话理解起来就更容易。比如有一个工业应用：机械手从某个盒子里取出零件放到另一个盒子里。假如每次开机初始化时，我们需要上位机（计算机）软件需要向机械手发一个指令：请先回到你的原点位置。上位机发送完这个指令后它可以有两种反应：

（1）一直等着机械手回到它的原点位置，直到收到机械手发过来“已经回到原点”信号，否则啥也不做。这时候你的上位机软件肯定卡死，因为它在这期间“啥也不做”，包括前台UI刷新操作。想想都觉的傻X，是不是——请不要这样编程。

（2）发出指令后，上位机软件就不管“机械手回原点”这档子事了，它会继续做别的事情，比如初始化用户界面，加载一些本地配置文件等等，总之在“机械手回原点”这段时间上位机可以做很多事情。等“机械手回到原点”时，机械手控制器给上位机发一个“机械手已经回到原点”告知信号就可以了，上位机收到该信号后再做对应的处理。这是很“符合常理”的一种编程策略。请看下面生活中的一个例子。

假如你是一个CPU，周末上午你要做以下事情：整理房间，用洗衣机洗衣服。开始时，你需要向洗衣机下达一个“开始洗衣服”指令，然后洗衣机就开始按照常用的洗衣流程开始洗衣服。下达完这个指令后，你可以有两种后续反应：

（1）搬把椅子坐在洗衣机旁边，直到等到它洗完，否则啥也不干。这对应于上面上位机例子的第一种反应——所以你觉察出这种处理策略很傻X了吧。

（2）按下洗衣机洗衣按钮后，你就不再管洗衣机怎么洗衣服这件事情了，而是去整理房间——这是一种很“符合常理“的时间规划策略。等我听到洗衣机洗完衣服发出”滴~，滴~“的声音，我再去基于该事件信号做对应处理（比如晾衣服）

另一个例子是向远程服务器请求网站内容。主线程主负责下达请求网页内容的命令，但是网页内容怎么反馈回来主线程并不干涉也无法干涉（这是远程服务器和网卡的任务）。

这就是异步操作——“Fire and Forget”（发后不理）——向另一个相关处理器设备下达指令然后就“不管它”。这里的“相关处理器”可以是某个硬件设备，比如相机，电机，机械手，远程服务器，也可以是DSP，或者FPGA处理器，也可以是另一个CPU，也可以是另一个线程。它们的共同点是：这些“相关处理器”能够独立完成交给他们的任务，而不需要主线程协助。这时候主线程只是一个甩手掌柜。

对于一些计算机的外围设备，可以通过“中断”机制来反应异步操作的“完成”信号，这时候不需要在CPU上主线程外再开辟新线程来“甩手”执行异步操作。比如机械手或者洗衣机的例子，其异步操作过程不需要主线程干涉。但是并不是所有情况都是这样的，在《C#图解教程》一书“异步编程”章节的第一个例子，作者就说“我们没有创建任何线程”（就实现了同时执行异步操作，或者在主线程外同时执行了另一个函数），但作者在讲解await表达式的时候，就讲了其实质：其实是在“不同的线程上执行了你的异步方法”，也就是底层其实用了有别于主线程外的线程上运行了你的方法。我觉得可能是线程池中的线程，也可能不异步方法指派给另一个CPU（如果你的计算机上是双核或多核的）。即异步操作有时候需要多线程技术有时候不需要（暂且将硬件“中断”机制当成不需要多线程技术）。这时候就可以理解“多线程技术是实现异步操作的一种手段”，但绝对不能说多线程技就是异步技术。

对于异步技术，总之主线程只发起调用异步方法，然后控制流立即返回主线程。这有别于“同步编程”，大多数我们接触的都是“同步操作”：把A事情做完后，你才能做B事情（或先做完B再做A）。比如整理房间，手洗衣服，吃饭这三件事情。你只能一件一件的做，而不能同时做，而不能甩手给任何家用电器（假如你的洗衣机坏了），在做完一件事情之前，下一件事情只能搁置。这便是同步编程。请注意这里的同步概念有别于“线程同步”中的“同步”概念，不要搞混了。

“线程同步”中的“同步”是为了保证“线程安全”采取的应对策略。当多个线程对同一个资源（变量或者代码）进行读写操作时要防止竞态情况出现，保证对共同资源的操作结果都是正确的，这就是线程安全，保证线程安全的策略就是线程间的“同步”。

在上面讲到Matlab的parfor的例子是一个异步编程的例子。这很好理解，各个for循环的单次操作都可以单独运算互不干涉，而且不需要主线程干涉和协助。Matlab的parfor异步操作是把各个单次操作分派到不同的CPU核上了，也就是并行运算。假如你电脑上有4个CPU，你parpool里面开8个worker，不会比你分派4个工作者快，甚至可能还会慢，因为这里面除并行处理外，还有并发处理（即让单个CPU开两个线程，切换着计算，实际情况也可能某个CPU分派3个计算线程），多个线程之间的上下文切换是需要代价的。还是洗衣服的例子：你有一堆衣服要洗，洗衣房有4个洗衣机，你可以把衣服分一分，让4个洗衣机同时洗，会用一台洗衣机1/4的时间就能洗完。你想更快在现有资源下是不可能做到的，即时洗衣店告诉你它们有8台洗衣机同时在帮你 洗——一种符合并行处理逻辑的情况是，每台洗衣机都有凉皮衣服要洗，每台洗衣机在机洗完第一批衣服后，不是接着漂洗、脱水而是取出第一批衣服，机洗第二批衣服，然后再取出第二批衣服，再漂洗第一批衣服，再漂洗第二批衣服，等等，感觉很麻烦，但其实CPU的并行处理就是这样做的，所谓的上下文切换代价就是指这种两批衣服“一批取出来另一批放进去，再取出来再放进去的冗余过程”，只是CPU的时间反应速度更快（ms级甚至更快），让你觉察不到他的切换，给你营造一种好像真的是一台洗衣机在同时洗两批衣服的“假象”。一台洗衣机洗两批衣服的过程是“同步”的——漂洗完一批，下一批才能开始。但洗衣机与洗衣机之间的操作是异步的，是“同时”的。