以及異步模型適用性的作异根源。訪問網絡接口等 。有意义這個“保存現場”和“恢複現場”的作异
過程本身就會消耗大量 CPU 資源,隻要開銷。有意义
場景舉例: 最典型的作异就是 GUI 界麵,但它的有意义核心價值在於避免主線程被堵塞
,直到飯熱好。作异文件上傳下載視頻壓縮、有意义這背後的作异原因是什麽? 本文的目標就是深入計算機的底層運行機製,在這期間,有意义完成後通知我。作异這種模式極大地提升了 CPU 利用率 。有意义小紅明明空出來了啊
,作异如果大量並發的有意义 CPU 密集型任務在少數幾個 CPU 核心上運行,” 指令下達後
,作异用戶點擊)
。數據庫 | CPU 計算能力 | | CPU 狀態 | 大部分時間在等待 | 大部分時間在全速運轉 |
| 異步的價值 | 極高。這兩種場景的底層機製差異巨大。CPU 就立刻被釋放,Netty 等技術棧中 。CPU 實際上隻是向磁盤控製器下達一個指令
:“把這個文件的數據讀到內存的這個位置,異步編程模型可以有效利用這段寶貴的閑置時間去處理其他任務。微波爐比喻:- 這個過程好比你(CPU)在餐廳後廚用微波爐熱飯(執行 IO 操作)。根本無暇響應任何其他事件(如網絡請求
、而是為了保持響應性 (Responsiveness)。
CPU 密集操作(異步意義不大)場景定義: 典型的 CPU 密集型操作包括視頻轉碼、 深入技術視角
:計算機如何處理任務從更技術的層麵來看 , - 本質分析: 這種“異步化”處理並沒有減少總的計算時間(甚至可能因為切換開銷而變慢)
,你再回來處理熱好的飯。DMA 會通過一個中斷信號通知 CPU
。等微波爐“叮”的一聲(中斷通知),我們可以清晰地看到 IO 密集型和 CPU 密集型任務在本質上的區別
,甚至可能起反作用
。
- 核心特征: IO 操作的核心特征是 CPU 在大部分時間裏都在“等”。從而保證了界麵的流暢和用戶的交互體驗。硬盤
、IO 操作有巨大的空窗期,兩者相差數個數量級 。
特殊情況:何時 CPU 操作需要“異步”
?雖然 CPU 密集型操作通過異步無法提高整體吞吐量,因為工作主要由外部設備完成,例如瀏覽器。再加載下一個線程的狀態。這個過程才是效率最高的
。 - 多線程開銷: 在多線程環境中,
- 同步模式:你按下微波爐的開關,尤其是在 Node.js、例如 ALU(算術邏輯單元) 和寄存器。打掃衛生。用戶無法進行任何操作 。
因此,對於 CPU 而言 ,程序計數器等),巨大的速度差異意味著, 為什麽說 IO 操作異步才有意義 ,小紅再回來繼續起油鍋燒土豆絲 。而對於 CPU 密集型操作 卻意義不大
,因為 CPU 全力在計算,但在一種特殊場景下 , - 解決方案: 我們可以通過 Web Worker 將計算任務放到一個獨立的線程中,
總結與延伸通過以上的分析
, - 異步模式:你按下開關,從而闡明異步的真正價值所在。覺得這個沒問題啊,UI 渲染線程會被完全阻塞
,訓練神經網絡等
。
關注我的公眾號一起玩轉技術 一個普遍的共識是:異步對於 IO 操作 效果顯著,IO 操作(異步最有用的場景)- 場景定義: 典型的 IO 操作包括讀取文件、可以去處理其他任務了。這類任務需要持續占用 CPU 的核心計算資源
,這種“異步”是有意義的
。小紅直接切土豆絲然後燒土豆絲 ,區塊鏈挖礦、真正的數據拷貝工作由 DMA 控製器全權負責,反而因為小紅在土豆絲切好後再次接管燒菜這件事而引入了額外的“上下文切換開銷”,這些操作極慢。
結論IO 操作適合異步,因為調度其他線程來完成 CPU 密集操作的效率不如當前線程直接計算高 。整個過程不需要占用 CPU
。會導致整個程序假死。數據加密解密、 IO 密集型:DMA 的功勞CPU 在執行 IO 操作時之所以可以“脫身” ,真正幹活的是微波爐(硬盤/網卡)。CPU 本身處於閑置狀態。 當我們的代碼執行一個 IO 請求(例如 Node.js 中的 fs.readFile())時
,導致實際用於計算的時間減少。這不是效率提高了嗎?真的是這樣嗎 ?小紅不呼叫小明切土豆
,關鍵在於 DMA(直接存儲器訪問) 機製。或者使用 setTimeout 將大任務拆分成許多小塊分片執行。操作係統需要不斷地保存當前線程的運行狀態(例如寄存器裏的值 、那小明這時候也是空閑的啊 。隻要開銷 |
| 典型例子 | Web 服務器接口 、行為就變成了:小紅呼叫小明(CPU another thread)來替她切土豆
,而一次網絡或磁盤 IO 的耗時是毫秒級 (ms),複雜的數學計算、導致整體效率變得更低
。CPU 密集型 :線程的競爭對於 CPU 密集型任務 ,小明直接去擦桌子, 做酸辣土豆絲比喻:- 這個過程好比小紅想要(CPU main thread)做一盤酸辣土豆絲(CPU 密集操作)。CPU 密集操作異步沒有太大意義
背景與問題在後端開發中
,然後像個雕像一樣站在它麵前幹等, - 核心目的: 此時
,多線程並行 (Parallelism)
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一句話總結 :
異步是為了填補 CPU 的空窗期
。切換其他線程來代替當前線程計算不會有性能提升,圖像渲染
| 最佳策略 | 異步非阻塞 (Async/Await, Reactive) | 多進程
、然後就立刻轉身去切菜
、這個過程可以精煉地總結為
:異步 IO = CPU 外包工作 + 中斷通知。情況完全不同。 | 低。強行切換任務隻會帶來不必要的開銷。會導致 CPU 頻繁進行上下文切換 (Context Switch)。定個鬧鍾(設置回調) ,從根本上解釋清楚這兩類操作的本質區別,你按一下微波爐的開關(發送 IO 請求) ,假設你在網頁中用 JavaScript 執行一個大規模的同步計算,| 特性 | IO 密集型 (IO-Bound) | CPU 密集型 (CPU-Bound) |
|---|
| 主要瓶頸 | 網絡
、所以異步有意義;CPU 密集操作切換其他線程來代替當前線程計算不會有性能提升,工作完成後,它會在磁盤和內存之間直接搬運數據,切土豆絲的總工作量一點沒少 ,CPU 到底是在“等別人幹活”
,
核心原理與類比要理解這個問題的核心 ,利用等待時間處理其他並發請求(高並發的核心)。 可能有同學不理解 ,你什麽別的事也做不了,結論CPU 密集型任務不適合異步 , 這種行為的後果是,CPU 執行指令的速度是納秒級 (ns)
,
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