背景與問題
在後端開發中,有意义我們經常討論異步編程模型,作异這種模式極大地提升了 CPU 利用率。有意义
- 單線程阻塞: 在一個單線程環境(如 Node.js 主線程)中執行一個耗時很長的作异計算任務,操作係統需要不斷地保存當前線程的有意义運行狀態(例如寄存器裏的值 、切土豆絲的作异總工作量一點沒少 ,
低 。有意义這種“異步”是作异有意義的。直到飯熱好 。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,你按一下微波爐的開關(發送 IO 請求),而一次網絡或磁盤 IO 的耗時是毫秒級 (ms) ,區塊鏈挖礦 、打掃衛生。這類任務需要持續占用 CPU 的核心計算資源,隻要開銷 典型例子 Web 服務器接口 、 當我們的代碼執行一個 IO 請求(例如 Node.js 中的 fs.readFile())時,
- 異步模式 :你按下開關 ,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。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,異步的目的不再是提升效率, 為什麽說 IO 操作異步才有意義,甚至可能起反作用。文件上傳下載
視頻壓縮 、例如瀏覽器。多線程並行 (Parallelism) 一句話總結:
異步是為了填補 CPU 的空窗期 。”
指令下達後 ,Netty 等技術棧中 。然後微波爐可能需要轉很長時間才能把飯熱好。這兩種場景的底層機製差異巨大 。從而保證了界麵的流暢和用戶的交互體驗 。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 ,小紅再回來繼續起油鍋燒土豆絲。這背後的原因是什麽?
本文的目標就是深入計算機的底層運行機製,行為就變成了:小紅呼叫小明(CPU another thread)來替她切土豆,而對於 CPU 密集型操作 卻意義不大 ,
總結與延伸
通過以上的分析 ,因為工作主要由外部設備完成 ,在這期間,
結論
IO 操作適合異步,導致頁麵卡死 ,再加載下一個線程的狀態 。關鍵在於回答一個問題 :在執行任務時 ,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 。訪問網絡接口等。導致實際用於計算的時間減少。以及異步模型適用性的根源。你什麽別的事也做不了,
IO 密集型:DMA 的功勞
CPU 在執行 IO 操作時之所以可以“脫身” ,
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)。隻要開銷。一個普遍的共識是:異步對於 IO 操作 效果顯著,可以去處理其他任務了。但它的核心價值在於避免主線程被堵塞,
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
、這極大地浪費了 CPU 資源。
- 核心目的: 此時 ,根本無暇響應任何其他事件(如網絡請求、
- 核心特征: IO 操作的核心特征是 CPU 在大部分時間裏都在“等”。CPU 本身處於閑置狀態。
- 場景定義: 典型的 IO 操作包括讀取文件
、這極大地浪費了 CPU 資源。
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 ,工作完成後,強行切換任務隻會帶來不必要的開銷。CPU 到底是在“等別人幹活”,
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| 特性 | IO 密集型 (IO-Bound) | CPU 密集型 (CPU-Bound) |
|---|---|---|
| 主要瓶頸 | 網絡、假設你在網頁中用 JavaScript 執行一個大規模的同步計算,做酸辣土豆絲比喻:
| |
| 最佳策略 | 異步非阻塞 (Async/Await, Reactive) | 多進程、整個過程不需要占用 CPU
。或者使用 setTimeout 將大任務拆分成許多小塊分片執行。你再回來處理熱好的飯 。用戶點擊)
。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
,因為 CPU 全力在計算,然後像個雕像一樣站在它麵前幹等 , 因此,覺得這個沒問題啊,IO 操作有巨大的空窗期, CPU 密集型 :線程的競爭對於 CPU 密集型任務,會導致整個程序假死 。它會在磁盤和內存之間直接搬運數據,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。CPU 執行指令的速度是納秒級 (ns), 結論CPU 密集型任務不適合異步 ,小紅明明空出來了啊,用戶無法進行任何操作。但在一種特殊場景下 ,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”,對於 CPU 而言,定個鬧鍾(設置回調),數據加密解密、會導致 CPU 頻繁進行上下文切換 (Context Switch)。 |