Async 异步编程

发展

What Async Promised and What it Delivered 异步编程的承诺与实际成果
操作系统线程开销不菲：在当代 Linux 系统中，每个线程都会为其栈保留虚拟地址空间，创建一个线程需要消耗数十微秒的时间。上下文切换发生在内核空间，会燃烧 CPU 周期，而 O(n) 就绪状态轮询（如 select、poll）在大规模场景下会不断叠加开销。当一台服务器需要处理数千个并发连接时，若采用每连接一线程的架构，意味着数千个线程都将占用内存并竞争调度资源。系统将大量时间耗费在线程管理上，而这些资源本可用于执行更有价值的实际工作。这就是 C10K 问题，由丹·凯格尔于1999年提出。如果你正在构建一个网络服务器、聊天系统或任何需要处理大量并发连接的系统，你就需要一种方式来实现并发处理，而无需为每个连接分配一个线程
解决方式一：回调函数 Callbacks:
- 与其等待I/O操作完成，不如注册一个在操作结束时调用的函数，然后继续处理下一个任务。比如 elect、poll、epoll、kqueue, 比如 Node.js，Nginx 。
- 缺点：回调颠倒了控制流；callback hell 回调地狱
- 缺点：破坏了错误处理的完整性。每个回调函数都需要独立的错误处理路径。由于不存在调用栈（回调函数在其注册上下文之外运行），错误无法自然地沿调用链向上传播。在回调链中处理部分失败的情况，意味着需要在链条中的每个函数中传递错误状态
- 缺点：回调函数无法实现取消操作。当启动一个异步操作后，若决定不再需要其结果，通常没有办法将其终止。回调最终仍会被触发，而你的代码需要处理“已不再关心结果”这一情形
解决方式二：Promises and Futures：
- 这是一种承诺（JavaScript）或未来值（Java、Rust等）。这一概念可追溯到1977年Baker和Hewitt的研究，但直到2010年代的C10K压力才将其推入主流编程。JavaScript在ES2015中按照社区驱动的Promises/A+规范标准化了原生Promise，而Java 8则引入了CompletableFuture
- 优点：Promise 具有可组合性：promise.then(f).then(g) 以管道形式呈现，而非嵌套的金字塔结构
- 优点：错误处理也更集中：在链式调用的末尾添加一个 `.catch()` 即可捕获任意步骤的失败
- 缺点：Promise（承诺）是一次性的。一个 Promise 只会被决议一次。这使得它们不适合用于建模流、事件、重复消息或任何持续性的通信。例如，接收一系列消息的 WebSocket 并不符合“一个将在未来存在的值”这一模式
- 缺点：组合方式相对笨拙
- 缺点：错误静默消失。JavaScript 中的 Promise 若未通过 .catch() 处理拒绝状态，最初只会直接吞没错误。丢失的值导致故障无法被察觉。这种问题严重到 Node.js 最终将未处理的拒绝从警告升级为进程崩溃，而浏览器则新增了 `unhandledrejection` 事件。本为改进错误处理而设计的特性，反而制造出一类回调函数中从未存在过的全新静默失败。
- 缺点：类型分裂。每个函数现在可能返回一个值，也有可能返回一个 Promise。因此，调用者需要知道是哪一种，而库也需要决定提供哪一种。
解决方式三：Async/Await
- async/await机制（最初由C#在2012年开创，随后被JavaScript（ES2017）、Python（3.5）、Rust（1.39）、Kotlin、Swift和Dart采用。业内迅速采纳了这一模式，JavaScript框架全面支持，Python的asyncio成为并发I/O的标准方式，而Rust则稳定了async/await作为高性能网络编程的路径。短短几年间，async/await便成为多数主流语言中编写并发I/O代码的默认方式
- 优点：让异步代码看起来像顺序执行
- Paying the Function Coloring Tax：鲍勃·奈斯特罗姆发表了《你的函数是什么颜色？》一文。这篇文章设想了一门语言，其中每个函数要么是“红色”，要么是“蓝色”。红色函数可以调用蓝色函数，但蓝色函数要调用红色函数则必须经过特殊仪式。每个函数都必须选择一种颜色，如果你从蓝色函数中调用了红色函数，那么该蓝色函数就必须变成红色——这种特性会像病毒般在整个代码库中蔓延
- 这是对async/await机制的一个类比：异步函数是红色，同步函数是蓝色。异步函数调用同步函数毫无问题，但若要从同步函数中调用异步函数，则必须阻塞线程或重构代码。程序中每个函数都必须选择一种颜色，而这一选择会传播至每个调用者。
- 缺点：函数类型分裂：同步函数与异步函数，调用者需要依此区分设计模式与使用。一个同步思维设计模式下的项目，一旦启用了一个异步库，意味着一长串函数的修改。
- 缺点：库的割裂：库和接口的提供者需要决定使用同步还是异步。在Python中，requests库（同步）和aiohttp（异步）是由不同开发者独立维护的两个项目，功能却完全相同。httpx最终实现了从同一个包中同时提供两种接口，然而这种改进之所以必要，正是由于同步与异步的人为割裂。
- 缺点：新型 bug。O'Connor 记录了一种异步 Rust 的死锁类型，他称之为“futurelock”：一个 future 持有锁后停止轮询，而另一个 future 试图获取同一把锁。在线程模型中，持有锁的线程总会继续执行直到释放锁（除非你做了像 SuspendThread 这样人人皆知危险的操作）。而在异步 Rust 中，select!、缓冲流以及 FuturesUnordered 等标准工具会频繁停止轮询那些持有资源的 future。Oxide 公司最初遇到的 futurelock 问题，需要通过核心转储和反汇编器才能诊断出来
- 缺点：顺序陷阱：与 Promise 相比，Promise 要求你分析业务逻辑的依赖、并发与串行再组合代码，而 async 容易掉入串行认知陷阱：把两个独立可并发的异步动作写成了串行，损失了性能。
Go 语言刻意采用了 goroutine，通过接受更重的运行时负担，彻底避免了函数着色问题。（Go 实际上通过 context.Context 引入了一种着色形式，该上下文通过调用传播以实现取消操作）
Java 的 Project Loom（Java 21 中的虚拟线程）也做出了不同的选择：轻量级线程在外观和行为上如同常规线程，因此无需任何代码改变颜色。Loom 团队明确将函数着色视为他们希望规避的问题。
Zig 更进一步：它完全移除了编译器层面的 async/await，转而围绕 I/O 操作所接受的 I/O 接口参数进行重构。运行时（线程化、事件循环，或用户提供的任何机制）负责实现该接口。函数签名不会因其调度方式而改变，async/await 也从语言关键字降级为库函数。不过也有观点认为，I/O 参数本身已构成一种“着色”形式。

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