理清概念：同步与异步

广义的同步与异步

在广义上，同步和异步是描述两个或多个事件、操作或进程之间的关系。

同步意味着事件、操作或进程是有序的，一个操作必须在另一个操作完成后开始执行。
异步则意味着事件、操作或进程是独立的，可以在不等待其他操作完成的情况下开始执行。

同步和异步的概念可以应用于各种计算场景，如并发编程、分布式系统、通信协议等。

操作系统中的同步与异步

在操作系统中，特别是在Linux中，同步和异步是描述I/O操作方式的两个概念。它们主要区分在于操作完成的通知方式和程序执行的流程。

同步（Synchronous）：

同步I/O操作是指在执行I/O操作时，程序必须等待操作完成才能继续执行。在同步操作中，程序提交一个I/O请求后，操作系统会阻塞该程序，直到请求操作完成。此时，程序才能继续执行后续的代码。因此，同步操作会导致程序执行流程暂停，直至I/O操作完成。
同步I/O的例子：read(), write(), recv(), send() 等。

异步（Asynchronous）：

异步I/O操作是指程序在发起I/O请求后，无需等待操作完成，可以继续执行其他任务。当异步I/O操作完成时，程序会通过某种方式（如回调函数、事件通知、信号等）得到通知。因此，异步操作使程序执行流程得以继续，而不必等待I/O操作完成。
异步I/O的例子：Linux中的aio_read(), aio_write() 等。

操作系统中的同步和异步概念也可以扩展到进程间通信（IPC）、线程同步等领域。

总的来说，操作系统的同步和异步I/O操作的主要区别在于程序执行流程的阻塞与非阻塞。同步操作会阻塞程序执行，直至I/O操作完成，而异步操作则允许程序在I/O操作进行时继续执行其他任务。在实际应用中，根据不同的场景和需求，可以灵活选择同步或异步I/O操作来优化程序性能。

总结一下，广义的同步与异步关注的是事件、操作或进程之间的相互依赖关系。在操作系统中，同步与异步主要关注I/O操作对程序执行流程的影响。这两个概念在不同的上下文中有不同的含义，但它们都涉及到如何协调和组织不同的事件、操作或进程以实现高效的计算。

混淆点：不要将同步，异步的概念与并行，顺序执行的概念搞混了

错误的理解：

有些人会把同步理解为所有事情同时去做。
而异步则是你先做，我再做。
比如CPU的同步与异步，比如一个多核CPU，每一个核心可能同时在干不同事情，那就是同步，而单核CPU，我在干一件事情的时候，另一件事情就不能干，那这就是异步。

正确的理解：

多核CPU：在多核CPU中，每个核心可以独立执行任务，这使得多个任务可以在不同的核心上并行运行。这种情况更接近于广义上的异步，因为多个任务可以独立地、并行地执行，而不需要等待其他任务完成。
单核CPU：在单核CPU中，只有一个核心，因此多个任务必须在同一个核心上顺序执行。当一个任务在执行时，其他任务必须等待。这种情况更接近于广义上的同步，因为一个任务必须等待另一个任务完成才能开始执行。
需要注意的是，同步和异步的概念通常根据上下文而有所不同。在操作系统领域，同步和异步通常用于描述I/O操作、线程同步和进程间通信等场景。在您提到的CPU例子中，实际上涉及到的是任务并发和顺序执行的概念，这与操作系统中的同步和异步有所不同。尽管这两者都涉及到任务之间的相互关系，但它们关注的方面和具体实现略有差异。

同步与异步的代码示例演示

同步的IO示例

这是一个简单的同步文件读取示例，使用read()函数从文件中读取数据。

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int file_descriptor;
    ssize_t bytes_read;
    char buffer[1024];

    file_descriptor = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (file_descriptor == -1) {
        perror("Error opening file");
        exit(1);
    }

    while ((bytes_read = read(file_descriptor, buffer, sizeof(buffer) - 1)) > 0) {
        buffer[bytes_read] = '\0';
        printf("%s", buffer);
    }

    if (bytes_read == -1) {
        perror("Error reading file");
    }

    close(file_descriptor);
    return 0;
}

异步的IO示例

这是一个简单的异步文件读取示例，使用Linux中的aio_read()函数异步读取文件数据。

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <aio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

void on_read_complete(struct aiocb *request) {
    printf("Read complete: %s\n", (char *)request->aio_buf);
}

int main() {
    int file_descriptor;
    struct aiocb request;
    char buffer[1024];

    file_descriptor = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (file_descriptor == -1) {
        perror("Error opening file");
        exit(1);
    }

    memset(&request, 0, sizeof(request));
    request.aio_fildes = file_descriptor;
    request.aio_buf = buffer;
    request.aio_nbytes = sizeof(buffer) - 1;
    request.aio_offset = 0;
    request.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;
    request.aio_sigevent.sigev_notify_function = (void *)on_read_complete;
    request.aio_sigevent.sigev_notify_attributes = NULL;

    if (aio_read(&request) == -1) {
        perror("Error starting asynchronous read");
        exit(1);
    }

    // 在这里，您可以执行其他任务，而不必等待异步读取完成。
    // ...

    // 等待异步读取完成。
    while (aio_error(&request) == EINPROGRESS) {
        usleep(10000);
    }

    ssize_t bytes_read = aio_return(&request);
    if (bytes_read == -1) {
        perror("Error completing asynchronous read");
    }

    buffer[bytes_read] = '\0';

    close(file_descriptor);
    return 0;
}

总结

当谈论同步、异步、并行和顺序执行时，我们需要理解这些概念在不同上下文中的含义。以下是这些术语的简要总结：

同步：

同步通常指的是事件、操作或进程之间的有序关系。在一个同步场景中，一个操作必须在另一个操作完成后才能开始执行。同步还可以指代多个线程或进程在执行过程中需要进行协调，例如通过锁、信号量等机制来确保数据一致性或避免竞争条件。

异步：

异步描述的是事件、操作或进程之间相互独立的关系。在异步场景中，一个操作可以在不等待其他操作完成的情况下开始执行。异步操作使得多个任务可以独立进行，从而提高系统的并发性能和响应能力。

并行（Parallelism）：

并行是指多个任务或操作在相同的时间段内同时执行。并行处理通常用于提高系统的性能和处理能力。在多核处理器、多处理器系统或分布式系统中，任务可以并行地在不同的计算资源上执行。

顺序执行（Sequential Execution）：

顺序执行是指任务或操作按照它们的顺序依次执行。在单核处理器或单线程环境中，任务通常需要顺序执行。顺序执行的任务必须等待前一个任务完成才能开始执行。

这些概念在不同的计算场景中有不同的应用，如操作系统中的同步与异步I/O操作、并发编程中的线程同步与异步通信、分布式系统中的数据同步与异步更新等。理解这些术语及其在不同上下文中的含义有助于更好地设计和优化计算系统。文章来源地址https://uudwc.com/A/pJNz2