Асинхронне програмування: що це таке?

У сучасних додатках все більше використовується асинхронне програмування. Це пов’язано з тим, що воно дає змогу більш ефективно використовувати ресурси комп’ютера і забезпечує більш чуйний користувацький інтерфейс. У цій статті ми розглянемо, що таке асинхронне програмування, як воно працює і як його можна реалізувати.

Що таке асинхронне програмування

Асинхронне програмування – це підхід до написання коду, за якого кілька завдань виконуються паралельно та незалежно одне від одного (на відміну від синхронного програмування, де кожна операція виконується послідовно та синхронно).

Таким чином, процес виконання не блокує роботу програми (як це відбувається в синхронному програмуванні), і вона може продовжувати виконувати інші завдання. Відповідно, це збільшує ефективність програми і робить її більш відмовостійкою. Наприклад, якщо ви завантажуєте кілька файлів на сервер, асинхронне програмування дасть вам змогу почати завантаження наступного файлу, не чекаючи завершення завантаження попереднього. Таким чином, ви можете завантажувати кілька файлів одночасно і швидше завершити завдання в цілому.

Асинхронне програмування важливе для сучасних додатків, оскільки вони повинні обробляти величезні обсяги даних і одночасно підтримувати високу продуктивність і чуйність користувацького інтерфейсу. У традиційному синхронному програмуванні, якщо одна операція займає надто багато часу, вся програма блокується і стає недоступною для користувачів. У той час як асинхронне програмування дає змогу виконувати тривалі операції у фоновому режимі, без блокування головного потоку програми, тим самим забезпечуючи чуйність і швидкодію програми.

Способи реалізації асинхронного програмування

Існують різні способи реалізації асинхронного програмування.

Callbacks

Callbacks – один із найпростіших і найпоширеніших способів – це функції зворотного виклику, які передають в асинхронну функцію, і їх викликають після завершення виконання завдання. Callbacks використовуються для обробки результатів виконання асинхронних операцій і можуть бути вкладені один в одного, що може призвести до проблем з читабельністю коду і керованістю помилок (зворотні виклики можуть призвести до так званого “пекла колбеків”, коли управління стає занадто складним і незручним).

Приклад: один із простих прикладів використання callbacks – це читання даних із файлу за допомогою Node.js. У цьому прикладі ми можемо використовувати функцію fs.readFile() для читання даних із файлу. Ця функція є асинхронною, тому вона приймає колбек-функцію, яка буде викликана після того, як операція читання буде завершена. Ось приклад:

const fs = require(‘fs’);

fs.readFile(‘/path/to/file’, ‘utf8’, (err, data) => {

if (err) {

console.error(err);

return;

}

console.log(data);

});

Тут ми викликаємо функцію fs.readFile() з шляхом до файлу і опцією utf8 (щоб файл читався як текст). Як третій аргумент ми передаємо колбек-функцію, яка буде викликана, коли операція читання завершиться. Колбек-функція приймає два аргументи: err і data. Якщо під час читання файлу сталася помилка, то ми виводимо її в консоль. Якщо все пройшло успішно, то ми виводимо вміст файлу в консоль.

У цьому прикладі колбек-функція передається як аргумент у функцію fs.readFile(). Це дає змогу викликати колбек-функцію, коли операція читання завершиться. Таким чином, ми можемо організувати асинхронний код, щоб він виконувався в потрібному порядку.

Ознайомитися з курсами програмування

Async/await

Async/await – це новий підхід до асинхронного програмування, представлений у C# 5.0. Він дає змогу писати асинхронний код у звичнішому синхронному стилі, що спрощує його читання та супровід, також – дає змогу виконувати кілька завдань одночасно, не блокуючи потік виконання основної програми (що є необхідним інструментом у сучасних додатках, які мають обробляти велику кількість запитів і забезпечувати швидкодію).

Приклад: скажімо, ми хочемо отримати список користувачів із сервера і відобразити його на сторінці. Ми можемо використовувати Async/Await для отримання даних і обробки їх.

async function getUsers() {

try {

const response = await fetch(‘https://example.com/users’);

const data = await response.json();

return data;

} catch (error) {

console.log(error);

}

async function displayUsers() {

const users = await getUsers();

users.forEach(user => {

const li = document.createElement(‘li’);

li.innerText = user.name;

document.querySelector(‘ul’).appendChild(li);

});

}

displayUsers();

Тут ми визначаємо дві асинхронні функції – getUsers і displayUsers. Функція getUsers використовує ключове слово await, щоб отримати дані з сервера і перетворити їх в об’єкт JavaScript за допомогою методу json(). Якщо відбувається помилка, ми ловимо її в блоці catch і виводимо повідомлення про помилку в консоль.

Функція displayUsers викликає getUsers за допомогою ключового слова await і потім використовує дані, щоб створити елементи списку користувачів на сторінці. Потім ми викликаємо функцію displayUsers, щоб відобразити користувачів на сторінці.

Таким чином, використання Async/Await дає нам змогу легко і зрозуміло обробляти асинхронні операції та керувати потоком виконання коду.

Корутини

Корутини – ще один спосіб реалізації асинхронного програмування, представлений у Python. Корутини дають змогу призупиняти і відновлювати виконання функцій без блокування головного потоку виконання. Ключове слово “yield” використовується для призупинення виконання функції та повернення результату, а ключове слово “send” використовується для відновлення виконання функції та передачі їй значення.

Приклад: уявімо, що ми пишемо простий застосунок для завантаження та обробки фотографій. Ми хочемо завантажити кілька фотографій із сервера, обробити їх і відобразити на екрані.

З використанням корутинів ми можемо написати такий псевдокод:

async def main():

# загрузить фотографии асинхронно

photos = await load_photos_async()

# обработать фотографии асинхронно

processed_photos = []

for photo in photos:

processed_photo = await process_photo_async(photo)

processed_photos.append(processed_photo)

# отобразить обработанные фотографии на экране

show_photos(processed_photos)

Тут ми визначаємо головну корутину main, яка є точкою входу в наш додаток. Ми використовуємо ключове слово async перед визначенням функції, щоб вказати, що вона є корутиною.

Далі ми асинхронно завантажуємо фотографії з load_photos_async, використовуючи ключове слово await. Потім ми обробляємо кожну фотографію асинхронно в циклі, викликаючи process_photo_async і чекаючи результату за допомогою await. Нарешті, ми відображаємо оброблені фотографії на екрані за допомогою show_photos.

Таким чином, ми можемо легко і просто асинхронно завантажувати й обробляти фотографії, не плутаючись у складній вкладеності зворотних викликів.

Переваги та недоліки асинхронності

Асинхронне програмування має свої переваги та недоліки. До переваг можна віднести збільшення продуктивності та масштабованості додатків, а також можливість забезпечити більш швидкий відгук на запити користувачів. Однак, недоліки включають більш складне управління потоками виконання і проблеми з налагодженням. Крім того, асинхронний код може бути менш читабельним і складнішим у підтримці.

Які переваги дає асинхронне програмування

До плюсів належить:

Збільшення продуктивності: завдяки тому, що завдання виконуються паралельно, зменшується час очікування відповіді від зовнішніх систем, що зі свого боку прискорює роботу програми.
Поліпшення чуйності: застосунок може продовжувати працювати навіть у разі блокування одного з потоків, що дає змогу уникнути зависання і покращує користувацький досвід.
Поліпшення масштабованості: під час використання асинхронного програмування легше масштабувати застосунок, оскільки можна розбити його на окремі частини, які працюватимуть паралельно.

Асинхронне програмування використовує концепцію подієвого циклу, який постійно перевіряє наявність подій у черзі. Коли подія відбувається, відповідний обробник подій виконується асинхронно. Це дає змогу основній програмі продовжувати роботу, не чекаючи завершення операції.

Які недоліки є в асинхронності та як їх вирішити

Асинхронне програмування може здаватися очевидним рішенням для розв’язання вузьких місць у проектах розробки програмного забезпечення. Однак, є кілька причин, через які розробники іноді уникають його використання.

Ускладнення коду: асинхронне програмування вимагає складнішого коду, ніж синхронне, тому що необхідно керувати безліччю потоків виконання (для успішного програмування асинхронних операцій потрібні глибокі знання про зворотні виклики і рекурсивні функції. Навіть якщо розробники володіють такими знаннями, програмування програми з використанням асинхронного підходу може бути громіздким і повільним. Код може стати складнішим, а тестування і налагодження – більш напруженими).
Ускладнення налагодження: під час роботи з асинхронним кодом може бути важко відстежити помилки, оскільки вони можуть виникати в будь-якій частині програми.
Навантаження на систему: використання великої кількості потоків виконання може призвести до збільшення навантаження на систему, що зі свого боку може погіршити продуктивність програми.
Сумісність. Деякі мови програмування не підтримують асинхронне програмування так широко, як, наприклад, C++ і JavaScript. Програмування асинхронних програм на таких мовах може бути трудомістким, якщо вони не підтримують асинхронність від початку.

Недоліки асинхронності можна вирішити кількома способами. Один із них – використання пулу потоків. У цьому разі асинхронні операції будуть виконуватися у від

Ще один спосіб – використання кешування даних. Якщо застосунок часто звертається до одних і тих самих даних, то можна використовувати кешування, щоб уникнути повторних запитів і прискорити обробку даних.

Також можна використовувати більш просунуті методи асинхронного програмування, такі як Event-based programming або Reactive programming. Ці підходи дають змогу керувати потоком виконання подій і реагувати на зміни даних.

Крім того, важливо враховувати особливості конкретного застосунку та обирати відповідні методи асинхронної обробки даних і подій.

Висновок

Незважаючи на деякі недоліки, асинхронне програмування є важливим інструментом у сучасному програмуванні. Воно дає змогу створювати більш ефективні та швидкі додатки, які можуть обробляти великі обсяги даних і одночасно виконувати кілька завдань. Однак, під час використання асинхронного програмування необхідно бути обережним і стежити за тим, щоб код залишався таким, що читається, і таким, що легко підтримується.

Асинхронне програмування: що це таке та його особливості