趣谈程序演变的过程

chaz6chez

前言

我是一名后端开发工程师,目前从事后端开发有8年的经验,主要以PHP开发为主,期间有1年时间使用C语言进行PHP拓展的开发工作,
工作主要围绕辅助线程及有栈协程调度器;还有2年主要使用Golang做一些基础服务。

这篇文章我会用一些通俗的话来描述一些我所了解的程序的一些点,如 异步、同步、阻塞、非阻塞等;当然,我的经验不算丰富也可能有些理解错误的地方,
也希望能够指正我描述有错误的部分。

程序出生了

程序最开始就如同写文章一般,从上至下,然后伴随着一个return结束:

#include<stdio.h>

main(){
    return 0;
}

这个程序对于系统来说是一个唯一入口,有点类似于PHP的index.php入口对于PHP zendVM一样,也是唯一入口:

<?php
    # 啥也没有
?>

道理是这么一个道理,Golang也一样,Java也一样;

这样的程序其实跟脚本是类似的,从上执行到结束、退出;既然这样的程序和脚本类似,我么就把它比作一张纸,
我们可以在这张纸上胡作非为,写上A\B\C\D随便什么都可以,它就会按照从上到下直到结束:

如上图,这个程序就完成了一个结合了A+B+C+D的业务逻辑,我们称它ABCD;

这时候你可能又会想,如果我要完成ABC的业务逻辑,怎么办?有两种办法:

  • 再写一个ABC的程序
  • 给这个ABCD丰富一下,加一个判断

于是我们丰富了一下程序,利用了编程语言基础的逻辑判断的特性:

但是我们不满足于此,因为A\B\C\D都有可能带来判断,甚至可能加入E\F\G等等等等……

那么这时候,程序如果按照这样的发展趋势,应该会变成:

CAO!这肯定不是每个程序员想要的结果!

那么为了拯救这样的情况出现,我们索性用多张纸且明确划分区域地来完成这样的复杂的、
多功能的程序,每个纸张上都各自有不同的ABCD或EFGH,这种编写程序的方式就是面向对象编程;
当然过程对象也可以达到这个效果,只不过需要引入各式各样的纸张,且不同纸张内容可能出现重复,
甚至不符合人的思维逻辑:

它转起来了!

我们上述的所有程序,都不能自动的反复的执行;

这里面包括C、Golang等语言,只要不引入一些库就纯粹的运行来说,它们和脚本是无异的

但是我们在生活中无时不刻的做着重复的事儿,毕竟人类的本质是复读机嘛;那么我们程序怎么做到重复执行呢?
有以下两种办法:

  • a. 重复几次就手动执行几次
  • b. 让程序住在系统里自己执行

懒人能推动社会进步,我选B。

那么为了实现这样的程序,我们该怎么做呢,怎么让这个程序不断地重复重复再重复呢?这时候可以利用语言特性:
循环,在循环的作用下,由上至下的程序则会变成这个样子:

wocao!它转起来了,转起来了!这不就是常驻内存的程序吗?当然,这里面我省略了一些接受系统通知、监控的步骤,
那么我们就假设这个圈就是一个系统,每个纸张就是程序,循环飞速的运转,那么每个程序都可以快速的运转,
这样一看,它是不是就变得丰富形象且生动了?

它蜕变了!

我们把这个”系统“的目光收一收,把目光再次聚集到每张纸张上面的A\B\C\D,你会发现ABCD该顺序执行的还是顺序执行,
纸张1没执行完,纸张2就不会到,因为在这个循环的圈中也是顺序执行的,怎么办呢?我能不能把A\B\C\D打散?
把每张纸聚焦在该做的事儿上?可以。

这里我们可以把这些A\B\C\D理解为系统的一些程序,比如文件系统、socket等,我们上层的应用就是使用他们的纸张,
去组合出ABC等一些特性的上层程序,我们的”纸张“和A\B\C\D一样,也在这个大循环内,我们的程序也可以通过一些共享手段与它们通讯/交换信息,
如下图:

为了避免每个程序一直挂在那里影响循环后面的其他程序,通常来说都需要合理的分配每个程序执行的最大时间,
如果没执行完,那就等下一个循环接着执行(具体可以看看Linux时间片算法,这里不展开说了);假定每个程序最大执行时间是1秒,
那么如图所示的“循环”去除“等等”部分,转一圈需要6秒;假设A执行一次需要6秒,那么A就需要转六圈才能完成一轮业务,其他的同理。

  • 同步阻塞

在“纸张2”需要一直等待结果的情况下(就好比你致电10086询问你的话费余额,电话那头告诉你等一下,你就一直拿着电话等她回答你),
我们假设A需要6秒,C需要10秒,那么“纸张2”完成自己的业务逻辑那么就需要先让A转完6圈,再去通知C,然后再等C转完10圈,最后就是16圈,
那么在第17圈的时候“纸张2”才能拿到所有数据。

  • 异步

那么我有没有办法做到同时通知两位,然后在等待呢?有:

  1. “纸张2”开两个线程(线程和进程的关系这里不展开讲,可以自行查阅,因为线程又是另一个“圈”的事儿了),一个通知A,一个通知C;

  2. “纸张2”告诉A:“有结果了就放在门卫大爷A那,我去拿”,然后紧接着通知C:“有结果了就放在门卫大爷C那,我去拿”;

1号方案和2号方案其实在本质上没太大区别,因为在linux下面实际上没有真正的线程,无非就是多了一个循环的事儿,
即便多了真·线程的概念,实际上运行起来也差不多,反正也是需要切出去再回来的;

“纸张2”除了需要维护一个不断查询门卫大爷的逻辑外,不需要多余在维护什么,那么这个转圈的事儿,就可以变换成如下的逻辑:
“纸张2”分别告诉A和C,于是开始转圈,第一圈的时候A和C都消耗了1秒,直到第6圈A完事儿了,第7圈的时候“纸张2”拿到了A的包裹;
第10圈的时候,C完事儿了,第11圈的时候“纸张2”拿到了C的包裹,程序结束;那么这个程序就执行了11圈,比之前的17圈要快一些。

实际上这个逻辑就是linux select/poll的执行逻辑,如果算上“纸张2”自己还需要查寻门卫大爷的时间的话,是不止17圈的,
因为每一圈“纸张2”都需要去问大爷,这里只是做了一个忽略;如果假设询问大爷需要消耗2圈的话,那么至少要在第19圈才可以拿到结果

还有没有更快的方案呢?有:
让A和C完事儿的时候告诉我一声

这时候“纸张2”是不需要去询问大爷,只需要在A、C完事儿通知到的时候去大爷那里取,这样的时间消耗是最接近17圈的。

这种方式就是linux epoll的执行方式,也是类似于kqueue或者IOCP的执行方式,当然系统不同,时间分配的方式也不同,
整体的执行方式也稍微有所调整

总结

  • 异步至少需要两个线程/两个进程
  • 非阻塞需要对应“程序”/“纸张”支持
  • 同步还是异步、阻塞还是非阻塞,需要界定范围,有可能微观的看是非阻塞,但宏观看是阻塞的
  • 世界是个圈,圈里也有圈,怎么维系好自己的圈,做好内圈与外圈的联系,会让世界变得更好
  • 如有错误请指正!!

暂时想到的只有这么多,如果想到其他的,再说

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5个评论

没茅台

学习中

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liziyu

辛苦辛苦,受益了!

发现大佬的“域名”记不住。哈哈。

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碎玉

文章写得很好,深入浅出,生动形象

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Tinywan

感谢分享!

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xiuwang

讲得很有意思啊

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chaz6chez

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2018-11-16 加入
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