Синхронні vs асинхронні підходи програмування: У чому відмінність?

Як обрати стратегію роботи з кодом, щоб не уповільнити проєкт

Синхронне та асинхронне програмування –– це концепти кодингу, що визначають реакцію програми на запити й час їхнього виконання. І оскільки програмування –– це про баланс між ефективністю і швидкістю, розробникам часто доводиться обирати між цими підходами. Як обрати між синхронним і асинхронним програмуванням –– детальніше в матеріалі.

Що таке синхронний принцип програмування?

Уявімо чергу в кав’ярні, де працює один бариста. Людина замовляє еспресо, працівник приймає замовлення і йде робити каву. Щойно кава готова, бариста віддає її клієнту й тільки після цього готовий обслуговувати наступного в черзі. Це і є аналогія до синхронного програмування.

Синхронне програмування –– послідовне виконання проєкту в тому порядку, який вказав розробник. Це однопотокова модель, тобто під час роботи однієї дії блокуються всі наступні. Операція має повністю завершитися, і тільки потім виконується наступна.

let result1 = fetchData();  // операція 1
let result2 = fetchData();  // операція 2

Така практика дає змогу легко передбачити порядок виконання, проте може стати проблемою, якщо у програмі є тривалі операції, як-от звернення до бази даних.

Переваги синхронного програмування

Простота розуміння: зазвичай синхронний код простіший для розуміння і дебагінгу через сувору послідовність дій. Завдання виконують поетапно, і якщо в процесі з’являється помилка, розробник одразу бачить, де виникла проблема.
Просте управління потоками: синхронний код виконується в одному потоці, тому немає потреби в додатковій синхронізації процесів.

Недоліки синхронного програмування

Затримки в роботі системи: якщо операція займає багато часу, вся система чекає на її завершення і не виконує жодних інших завдань. Якщо таких запитів багато, це може призвести до значних затримок.
Втрата продуктивності: поки система чекає на виконання запиту, інші процеси зупиняються, що призводить до неефективного використання обчислювальних ресурсів.

Що таке асинхронний принцип програмування?

Повернімося до кав’ярні. Отже, бариста прийняв замовлення, запустив приготування кави та продовжує обслуговувати наступного в черзі, не чекаючи, коли напій буде готовим. Щойно кава приготувалася, бариста забирає її та віддає першому клієнту. Таким чином, він виконував декілька завдань водночас, а не очікував, поки завершиться перша дія. Це просте пояснення, що означає асинхронне програмування.

Перейдемо до визначення асинхронного підходу. Це багатопотокова модель, що дає змогу виконувати кілька завдань паралельно, не чекаючи на завершення попередньої дії. Код не блокує інші завдання, отже, операції можуть виконуватися незалежно від інших. Наприклад, поки система очікує відповіді від сервера, інші операції продовжують виконуватися, не зупиняючись та не чекаючи на сервер.

let promise1 = fetchData();  // операція 1
let promise2 = fetchData();  // операція 2
Promise.all([promise1, promise2]).then(results => {
});

Така практика корисна для програм і застосунків, які повинні обробляти декілька запитів водночас, як-от чати, ігрові платформи тощо. Асинхронне програмування підвищує продуктивність і знижує затримки в роботі, тому такі системи можуть працювати плавніше навіть під значним навантаженням.

JavaScript –– одна з мов програмування, що активно залучає асинхронний ввід/вивід (Input/Output) у розробці вебзастосунків. Це зумовлено специфікою роботи браузерів і потребою швидко реагувати на запити користувачів.

За своєю природою мова JS є синхронною, проте поєднує в собі синхронний та асинхронний зв’язок: вона однопотокова, але не блокує інші операції. Завдяки цьому розробники можуть писати код однією мовою програмування замість двох, використовуючи переваги JavaScript для асинхронних та синхронних операцій.

Переваги асинхронного програмування

Висока продуктивність: система може виконувати кілька запитів одночасно, не чекаючи на завершення кожної попередньої. Це вагомий плюс для середовищ з великою кількістю запитів, як-от у вебзастосунках або на платформах з великою кількістю користувачів.
Ефективне використання ресурсів: поки система чекає на відповідь від сервера, вона може виконувати інші запити.

Недоліки асинхронного програмування

Складніший дебагінг і розуміння коду: через багатопотоковість розробникам треба зважати на всі можливі проблеми, які пов’язані з одночасним виконанням кількох операцій.
Складніше керувати взаємозалежностями: коли операції залежать одна від одної, асинхронний підхід може бути складним у реалізації без використання механізмів async/await або promise.

Як JavaScript реалізовує асинхронний підхід?

Асинхронний I/O важливий для JS, адже здебільшого користувацькі запити складні. Для отримання даних із сервера, підключення до API або завантаження медіафайлів потрібно зачекати певний час. Якби у JavaScript операції виконувалися синхронно, вебсторінка могла б не реагувати, очікуючи на відповідь від сервера, і створювала б поганий досвід користувача.

JS має кілька концепцій для програмування асинхронно:

callbacks (зворотні виклики) –– викликають функцію після завершення асинхронної операції;
promises (проміси, обіцянки) –– спрощують асинхронний ввід/вивід коду, забезпечують роботу з результатами операцій, які виконуються у фоновому режимі;
async/await –– дозволяють писати асинхронний код у стилі синхронного, даючи змогу блокувати наступні дії до виконання попередніх операцій;
future (майбутнє) –– представляє результат асинхронної операції, що буде доступним пізніше, і дозволяє працювати з ним після завершення дії.

Майбутнє та проміси часто використовують для обробки асинхронного I/O, тому їх варто розглянути детальніше.

Promise має 3 стани:

pending (у процесі) –– асинхронна операція ще не завершена;
fulfilled (виконано) –– операція завершена, результат вже доступний;
rejected (скасовано) –– операція не вдалася, сталася помилка.

Обіцянки дають змогу обробляти код у зручному форматі: для успішного результату застосовують .then(), а для помилок –– .catch() .

fetch('https://example.com/data') // запит
  .then(response => response.json()) // успіх
  .catch(err => alert(err)) // помилка

Концепцію future часто використовують в інших мовах програмування. Вона схожа на проміс, але має деякі відмінності. У JavaScript немає окремого об’єкта future, бо його роль частково виконує promise. В інших мовах майбутнє застосовують для позначення результату, який стає доступним після закінчення операції.

Якщо пов’язувати це з асинхронним вводом/виводом, то майбутнє та проміси допомагають організувати код таким чином, щоб замість очікування на результат операції програма виконувала інші завдання. Після завершення дії результат відтвориться через проміс, і далі його можна обробляти як успішний запит чи помилку.

Асинхронне проти синхронного програмування: як обрати?

Розгляньмо глибше, як синхронне та асинхронне програмування взаємодіють з різними операціями та коли кожен з цих підходів можна використовувати в реальних проєктах.

Синхронне програмування підходить для ситуацій, коли операції пов’язані між собою, кожна дія має завершитися перед початком наступної та немає потреби в одночасному обчисленні. Наприклад, якщо програма працює з простими однотипними завданнями або виконується в середовищі з обмеженими ресурсами. Також синхронні операції є найкращим варіантом для проєктів, де порядок виконання є надзвичайно важливим.

Асинхронний підхід варто використовувати тоді, коли система має обробляти одночасно велику кількість запитів без затримок і блокування інших процесів. Такий тип програмування також підходить для виконання завдань, які очікують відповідей від API або сервера, щоб сервіс не простоював довгий час.

Вибір «‎асинхронні проти синхронних операцій» залежить від вимог до програми. Якщо система велика й має обробляти значну кількість запитів, то асинхронний підхід буде набагато ефективнішим і даватиме змогу оптимізувати наявні ресурси без втрати продуктивності. А для невеликих програм або застосунків з чітко структурованими процесами синхронний підхід буде зручнішим, тому що його легше контролювати.

Проте іноді обидва підходи можна комбінувати: використовувати синхронний підхід для простих операцій, а асинхронний –– для обробки великої кількості запитів. Так можна досягти максимальної ефективності й високої продуктивності системи.

Вибір між синхронним та асинхронним програмуванням –– це важливий етап у процесі формування стратегії розробки. Кожен з цих принципів має свої переваги та недоліки, тому для вибору оптимального рішення треба проаналізувати вимоги проєкту, взяти до уваги обсяг даних та очікуване навантаження.

Автор: Анастасія Балєва