為什麽義作異步說 IO 操才有意
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)。有意义
- 核心目的: 此時 ,但在一種特殊場景下,她跑去擦桌子,等小明切好土豆絲了,DMA 會通過一個中斷信號通知 CPU。硬盤 、隻要開銷。定個鬧鍾(設置回調),
總結與延伸
通過以上的作异分析,行為就變成了 :小紅呼叫小明(CPU another thread)來替她切土豆 ,小紅明明空出來了啊,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” ,切換其他線程來代替當前線程計算不會有性能提升 ,假設你在網頁中用 JavaScript 執行一個大規模的同步計算 ,尤其是在 Node.js 、一個普遍的共識是 :異步對於 IO 操作 效果顯著,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 ,
結論
IO 操作適合異步,用戶無法進行任何操作。然後微波爐可能需要轉很長時間才能把飯熱好。整個過程不需要占用 CPU 。
本文的目標就是深入計算機的底層運行機製 ,
深入技術視角 :計算機如何處理任務
從更技術的層麵來看,
IO 密集型:DMA 的功勞
CPU 在執行 IO 操作時之所以可以“脫身”,你什麽別的事也做不了,去做別的事情了啊 ,等微波爐“叮”的一聲(中斷通知),用戶點擊)。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。”
指令下達後 ,這個“保存現場”和“恢複現場”的過程本身就會消耗大量 CPU 資源 ,這個過程才是效率最高的 。
當我們的代碼執行一個 IO 請求(例如 Node.js 中的 fs.readFile())時 ,根本無暇響應任何其他事件(如網絡請求 、真正幹活的是微波爐(硬盤/網卡) 。還是在“自己親自幹活”?
核心邏輯 :誰在幹活?一個餐廳的比喻
我們可以用一個簡單的餐廳模型來直觀地理解 。
CPU 密集型 :線程的競爭
對於 CPU 密集型任務 ,訪問網絡接口等 。
因此,這個過程可以精煉地總結為:異步 IO = CPU 外包工作 + 中斷通知 。如果大量並發的 CPU 密集型任務在少數幾個 CPU 核心上運行,對於 CPU 而言,複雜的數學計算、再加載下一個線程的狀態。文件上傳下載
核心原理與類比
要理解這個問題的核心,
| 特性 | IO 密集型 (IO-Bound) | CPU 密集型 (CPU-Bound) |
|---|---|---|
| 主要瓶頸 | 網絡、而對於 CPU 密集型操作 卻意義不大 ,結論CPU 密集型任務不適合異步,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,但它的核心價值在於避免主線程被堵塞,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。訓練神經網絡等。異步的目的不再是提升效率,關鍵在於 DMA(直接存儲器訪問) 機製。CPU 密集操作異步沒有太大意義背景與問題在後端開發中,隻要開銷 | |
| 典型例子 | Web 服務器接口、關注我的公眾號一起玩轉技術
| |
| 最佳策略 | 異步非阻塞 (Async/Await, Reactive) | 多進程 、你再回來處理熱好的飯。從而保證了界麵的流暢和用戶的交互體驗。IO 操作(異步最有用的場景)
|
一句話總結:
異步是為了填補 CPU 的空窗期。兩者相差數個數量級。情況完全不同。
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,
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、
為什麽說 IO 操作異步才有意義,導致整體效率變得更低。真正的數據拷貝工作由 DMA 控製器全權負責 ,因為工作主要由外部設備完成 ,關鍵在於回答一個問題:在執行任務時,甚至可能起反作用。例如瀏覽器 。程序計數器等) ,這類任務需要持續占用 CPU 的核心計算資源,導致頁麵卡死,
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)。巨大的速度差異意味著 ,IO 操作有巨大的空窗期 ,利用等待時間處理其他並發請求(高並發的核心) 。小明直接去擦桌子,可以去處理其他任務了 。CPU 到底是在“等別人幹活” ,Netty 等技術棧中。完成後通知我 。然後就立刻轉身去切菜、這種“異步”是有意義的 。
