一篇文章，搞明白异步和多线程

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最近在研究Spring Boot中的异步处理，发现涉及到异步和多线程的很多知识点，就先写几篇关于异步与多线程的文章，带大一起回顾或学习一下相关的知识点。下面开始正文内容：

前言

在本文中，我们通过一些通俗易懂的方式来解释异步编程和多线程编程，然后再介绍一下它们之间的区别。

什么是异步编程

首先来看一下异步模型。在异步模型中，允许同一时间发生(处理)多个事件。程序调用一个耗时较长的功能(方法)时，它并不会阻塞程序的执行流程，程序会继续往下执行。当功能执行完毕时，程序能够获得执行完毕的消息或能够访问到执行的结果(如果有返回值或需要返回值时)。

下面通过一个示例来看一下同步和异步的区别。示例中程序通过网络获取两个文件，并对两个文件进行合并处理：

异步与同步

上述示例，在异步系统当中的解决方案是开启一个额外的线程进行处理。第一个线程获取第一个文件，第二个线程获取第二个文件，第二个线程并不需要等待第一个线程执行完毕再执行。当两个线程都获得到对应的结果之后，再重新同步处理合并结果的操作。

再来看另外一个场景。单线程方法读取OS(操作系统)当中的文件并需要进行数学运算。而在异步系统中，程序发起读取OS中文件的请求，由于读取操作比较耗时，在等待读取文件时，程序会将控制器返回给CPU进行数学运算。

在异步编程中，通常会针对比较耗时的功能提供一个函数，函数的参数中包含一个额外的参数，用于回调。而这个函数往往称作回调函数。当比较耗时的功能执行完毕时，通过回调函数将结果返回。关于回调函数相关的知识可参考文章《两个经典例子让你彻底理解java回调机制》。

什么是多线程编程

多线程是指同时并发或并行执行多个指令(线程)。

在单核处理器上，多线程往往会给人程序是在并行执行的错觉。实际上，处理器是通过调度算法在多线程之间进行切换和调度。或者根据外部输入(中断)和线程的优先级的组合来进行线程的切换。

在多核处理器上，线程才是真正的并行运行。多个处理器同时执行多个线程，以达到更加高效的处理。

一个简单的示例就是：开启两个浏览器窗口同时下载两个文件。每个窗口都使用一个新的线程去下载文件，它们之间并不需要谁等待谁完成，而是并行进行下载。

下图展示了并发执行多线程应用程序的流程：

多线程执行

异步与多线程的区别

通过上面的介绍，我们可以看出多线程都是关于功能的并发执行。而异步编程是关于函数之间的非阻塞执行，我们可以将异步应用于单线程或多线程当中。

因此，多线程只是异步编程的一种实现形式。

比如，你和你的朋友决定一起做一顿午餐。“异步”就是你对朋友说：“你去商店买意大利面，回来的时候告诉我一声，然后一起做午餐。在你买意大利面的同时，我去准备番茄酱和饮料。”

而“线程”是：“你烧水，我加热番茄酱。当水烧开了，告诉我，我把意大利放进去。当番茄酱热了，你可以把奶酪添加进去。当两者都完成了，就可以坐下来一起吃晚餐。”在线程的示例中，我们可以看到“When，Do”的事件顺序，而这些顺序代表着每个人(线程)的指令集集合的顺序。

上述示例可以看出，多线程是与具体的执行者相关的，而异步是与任务相关的。

多线程是程序设计的逻辑层概念，它是进程中并发运行的一段代码，可以实现线程间的切换执行。

异步和同步是相对的，异步就是彼此独立，在等待某事件的过程中继续做自己的事，不需要等待这一事件完成后再工作。

多线程就是实现异步的一个方式。异步是让调用方法的主线程不需要同步等待另一线程的完成，从而可以让主线程干其它的事情。

所以本质上，异步和多线程并不是一个同等关系，异步是最终目的，多线程只是实现异步的一种手段。

如何选择

面对多线程和异步，我们该如何选择呢?其实，通常情况下选择的依据是主要取决于性能。

那么，同步/异步与单线程/多线程之间的所有组合，哪种模型表现更好?

简而言之，对于具有大量I/O操作和不同计算的大规模应用程序，使用异步多线程有利于充分利用计算资源，并且能够照顾到非阻塞函数。这也是所有操作系统所采用的线程模型。

编写异步操作的复杂程度较高，程序主要使用回调方式进行处理，与正常的思维方式有些出入，而且难以调试。而多线程的使用(滥用)会给系统带来上下文切换的额外负担，并且线程间的共享变量可能造成死锁。

因此在实现这两种模式时，往往需要处理资源竞争、死锁、共享资源和回调事件等问题。

小结

在本文中，我们讲解了异步编程和多线程编程的定义，然后是它们之间的区别。而本文中的所有术语和概念均与具体技术实现无关。后面我们会继续讲解多线程与异步相关的其他知识点，比如异步调用与回调等。

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