半同步/半异步的并发模式

半同步/半异步的并发模式

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概述

异步的并发模式更高效，而同步的并发模式更简单。高效和简单看起来是矛盾的特性，可以通过半同步/半异步的设计共存。一般来讲，底层是异步的，上层是同步的。比如操作系统的 I/O 是按照异步并发模式设计的，然而应用程序调用的 read/write 是同步的。底层往往更注重效率，应用层则要求简单，以简化应用软件的设计。底层软件的开发量相对较少，但是对性能的影响很大，可以接受更复杂的异步设计；应用软件的开发量比较大，涉及的开发人员比较多，且水平参差不齐，所以应当尽量简单。系统中同步的部分和异步的部分通过队列进行衔接。

图片来源：《面向模式的软件体系结构(卷2)：用于并发和网络化对象的模式》

lwIP 的并发模式

lwIP 是应用了半同步/半异步并发模式的典型。lwIP 的底层是事件驱动的，是异步的，其提供的 Raw API 就是基于回调的异步的 API，异步的 API 很高效，很省资源，可以在没有操作系统的条件下运作，但是要用 Raw API 设计应用程序，对程序员是一个挑战，要用异步的思维去做设计。在 Raw API 的基础上，包装了 sequential API，即那些以 netconn_ 为前缀的函数，sequential API 是同步的，需要操作系统的支持，使用 sequential API 开发应用就简单多了，其设计思维是同步的，符合人类大脑的常规思维模式。更上一层，将 sequential API 包装成标准的 BSD Socket 接口， BSD Socket 接口在桌面操作系统中被广泛支持，因此程序员很可能已经非常熟悉，这就为程序员提供了同步的而且是很熟悉的接口，这明显又简化了应用开发人员的工作。当然，sequential API 比 Raw API 使用了多得多的资源，sequential API 要求引入操作系统；BSD Socket 又比sequential API 使用更多的资源，因为又包装了一层。

lwIP 的 Raw API 和 sequential API 之间是通过 mbox 衔接的，mbox 衔接同步部分和异步部分，mbox 将 sequential API 的请求放入队列，并使用操作系统同步原语挂起当前线程，这时传递给 Raw API 的回调函数是一个唤醒被挂起线程的函数，当请求完成后，底层异步调用回调函数，回调函数唤醒调用 sequential API 的线程。

底层按异步设计

底层是按异步设计的，那么上层可以直接使用异步来做设计以达到性能的最优，也可以将异步包装成同步机制以降低上层设计的复杂度。这就比较灵活。

如果底层是按同步设计的，同步不能被包装成异步，没有办法获得更好的性能。这就没什么弹性了。

低功耗要求异步设计

低功耗意味着要尽快将事务处理完毕，然后进入休眠，这也就意味着要高效率，异步是高效的。所以，低功耗场合最好使用异步设计，即使为了降低复杂度采用同步设计，也要使用同步非阻塞模式，不能使用同步阻塞模式。

参考文献

• 《面向模式的软件体系结构(卷2)：用于并发和网络化对象的模式》 ， 5.3 半同步/半异步
• lwIP Wiki Raw/native API