برنامه‌نویسی همزمان: تردها در مقابل Async – راهنمای جامع جهانی

در دنیای امروز اپلیکیشن‌های با کارایی بالا، درک برنامه‌نویسی همزمان امری حیاتی است. همزمانی به برنامه‌ها اجازه می‌دهد تا چندین وظیفه را به ظاهر به طور همزمان اجرا کنند و باعث بهبود پاسخگویی و کارایی کلی شوند. این راهنما یک مقایسه جامع از دو رویکرد رایج به همزمانی ارائه می‌دهد: تردها و async، و بینش‌های مرتبطی را برای توسعه‌دهندگان در سراسر جهان فراهم می‌کند.

برنامه‌نویسی همزمان چیست؟

برنامه‌نویسی همزمان یک پارادایم برنامه‌نویسی است که در آن چندین وظیفه می‌توانند در بازه‌های زمانی همپوشان اجرا شوند. این لزوماً به این معنا نیست که وظایف در یک لحظه دقیق در حال اجرا هستند (موازی‌سازی)، بلکه به این معناست که اجرای آنها در هم تنیده شده است. مزیت اصلی، بهبود پاسخگویی و بهره‌وری از منابع است، به ویژه در اپلیکیشن‌های وابسته به ورودی/خروجی (I/O-bound) یا محاسباتی سنگین.

یک آشپزخانه رستوران را تصور کنید. چندین آشپز (وظیفه) به طور همزمان در حال کار هستند - یکی در حال آماده‌سازی سبزیجات، دیگری در حال کباب کردن گوشت، و دیگری در حال چیدن غذاها. همه آنها در راستای هدف کلی یعنی سرویس‌دهی به مشتریان مشارکت می‌کنند، اما لزوماً این کار را به شیوه‌ای کاملاً هماهنگ یا متوالی انجام نمی‌دهند. این مشابه اجرای همزمان در یک برنامه است.

تردها: رویکرد کلاسیک

تعریف و اصول

تردها (Threads) فرآیندهای سبکی در داخل یک فرآیند هستند که فضای حافظه یکسانی را به اشتراک می‌گذارند. اگر سخت‌افزار زیربنایی دارای چندین هسته پردازشی باشد، آنها امکان موازی‌سازی واقعی را فراهم می‌کنند. هر ترد پشته (stack) و شمارنده برنامه (program counter) خود را دارد که اجرای مستقل کد را در فضای حافظه مشترک ممکن می‌سازد.

ویژگی‌های کلیدی تردها:

• حافظه مشترک: تردهای درون یک فرآیند فضای حافظه یکسانی را به اشتراک می‌گذارند که اشتراک‌گذاری داده و ارتباط را آسان می‌کند.
• همزمانی و موازی‌سازی: اگر چندین هسته CPU در دسترس باشد، تردها می‌توانند به همزمانی و موازی‌سازی دست یابند.
• مدیریت توسط سیستم‌عامل: مدیریت تردها معمولاً توسط زمان‌بند (scheduler) سیستم‌عامل انجام می‌شود.

مزایای استفاده از تردها

• موازی‌سازی واقعی: بر روی پردازنده‌های چند هسته‌ای، تردها می‌توانند به صورت موازی اجرا شوند که منجر به افزایش قابل توجه عملکرد برای وظایف وابسته به CPU (CPU-bound) می‌شود.
• مدل برنامه‌نویسی ساده‌تر (در برخی موارد): برای برخی مسائل، پیاده‌سازی یک رویکرد مبتنی بر ترد می‌تواند ساده‌تر از async باشد.
• فناوری بالغ: تردها از مدت‌ها پیش وجود داشته‌اند و در نتیجه کتابخانه‌ها، ابزارها و تخصص فراوانی در این زمینه وجود دارد.

معایب و چالش‌های استفاده از تردها

• پیچیدگی: مدیریت حافظه مشترک می‌تواند پیچیده و مستعد خطا باشد و منجر به شرایط رقابتی (race conditions)، بن‌بست‌ها (deadlocks) و سایر مشکلات مرتبط با همزمانی شود.
• سربار: ایجاد و مدیریت تردها می‌تواند سربار قابل توجهی داشته باشد، به ویژه اگر وظایف کوتاه مدت باشند.
• تعویض زمینه (Context Switching): جابجایی بین تردها می‌تواند پرهزینه باشد، به خصوص زمانی که تعداد تردها زیاد است.
• اشکال‌زدایی (Debugging): اشکال‌زدایی اپلیکیشن‌های چندنخی به دلیل ماهیت غیرقطعی آنها می‌تواند بسیار چالش‌برانگیز باشد.
• قفل مفسر سراسری (Global Interpreter Lock - GIL): زبان‌هایی مانند پایتون دارای GIL هستند که موازی‌سازی واقعی را برای عملیات وابسته به CPU محدود می‌کند. در هر زمان فقط یک ترد می‌تواند کنترل مفسر پایتون را در دست داشته باشد. این امر بر عملیات چندنخی وابسته به CPU تأثیر می‌گذارد.

مثال: تردها در جاوا

جاوا از طریق کلاس Thread و رابط Runnable پشتیبانی داخلی برای تردها فراهم می‌کند.

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // کدی که در ترد اجرا می‌شود
        System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " is running");
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            MyThread thread = new MyThread();
            thread.start(); // یک ترد جدید را شروع کرده و متد run() را فراخوانی می‌کند
        }
    }
}

مثال: تردها در سی‌شارپ

using System;
using System.Threading;

public class Example {
    public static void Main(string[] args)
    {
        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            Thread t = new Thread(new ThreadStart(MyThread));
            t.Start();
        }
    }

    public static void MyThread()
    {
        Console.WriteLine("Thread " + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + " is running");
    }
}

Async/Await: رویکرد مدرن

تعریف و اصول

Async/await یک ویژگی زبانی است که به شما امکان می‌دهد کد غیرهمزمان را به سبکی شبیه به کد همزمان بنویسید. این ویژگی عمدتاً برای مدیریت عملیات وابسته به ورودی/خروجی (I/O-bound) بدون مسدود کردن ترد اصلی طراحی شده است و پاسخگویی و مقیاس‌پذیری را بهبود می‌بخشد.

مفاهیم کلیدی:

• عملیات غیرهمزمان: عملیاتی که ترد فعلی را در حین انتظار برای نتیجه مسدود نمی‌کنند (مانند درخواست‌های شبکه، ورودی/خروجی فایل).
• توابع Async: توابعی که با کلمه کلیدی async مشخص شده‌اند و امکان استفاده از کلمه کلیدی await را فراهم می‌کنند.
• کلمه کلیدی Await: برای متوقف کردن اجرای یک تابع async تا زمان تکمیل یک عملیات غیرهمزمان، بدون مسدود کردن ترد، استفاده می‌شود.
• حلقه رویداد (Event Loop): Async/await معمولاً برای مدیریت عملیات غیرهمزمان و زمان‌بندی callbackها به یک حلقه رویداد متکی است.

به جای ایجاد چندین ترد، async/await از یک ترد واحد (یا یک استخر کوچک از تردها) و یک حلقه رویداد برای مدیریت چندین عملیات غیرهمزمان استفاده می‌کند. هنگامی که یک عملیات async آغاز می‌شود، تابع فوراً برمی‌گردد و حلقه رویداد پیشرفت عملیات را نظارت می‌کند. پس از تکمیل عملیات، حلقه رویداد اجرای تابع async را از نقطه‌ای که متوقف شده بود، از سر می‌گیرد.

مزایای استفاده از Async/Await

• بهبود پاسخگویی: Async/await از مسدود شدن ترد اصلی جلوگیری می‌کند و منجر به رابط کاربری پاسخگوتر و عملکرد کلی بهتر می‌شود.
• مقیاس‌پذیری: Async/await به شما امکان می‌دهد تعداد زیادی عملیات همزمان را با منابع کمتری نسبت به تردها مدیریت کنید.
• کد ساده‌تر: Async/await خواندن و نوشتن کد غیرهمزمان را آسان‌تر می‌کند و آن را شبیه به کد همزمان می‌سازد.
• سربار کمتر: Async/await معمولاً سربار کمتری نسبت به تردها دارد، به ویژه برای عملیات وابسته به I/O.

معایب و چالش‌های استفاده از Async/Await

• نامناسب برای وظایف وابسته به CPU: Async/await موازی‌سازی واقعی را برای وظایف وابسته به CPU فراهم نمی‌کند. در چنین مواردی، تردها یا چندپردازشی (multiprocessing) هنوز ضروری هستند.
• جهنم Callback (بالقوه): اگرچه async/await کد غیرهمزمان را ساده می‌کند، استفاده نادرست همچنان می‌تواند منجر به callbackهای تو در تو و جریان کنترل پیچیده شود.
• اشکال‌زدایی: اشکال‌زدایی کد غیرهمزمان می‌تواند چالش‌برانگیز باشد، به خصوص هنگام کار با حلقه‌های رویداد و callbackهای پیچیده.
• پشتیبانی زبان: Async/await یک ویژگی نسبتاً جدید است و ممکن است در همه زبان‌ها یا فریمورک‌های برنامه‌نویسی موجود نباشد.

مثال: Async/Await در جاوااسکریپت

جاوااسکریپت قابلیت async/await را برای مدیریت عملیات غیرهمزمان، به ویژه با Promiseها، فراهم می‌کند.

async function fetchData(url) {
  try {
    const response = await fetch(url);
    const data = await response.json();
    return data;
  } catch (error) {
    console.error('خطا در دریافت داده:', error);
    throw error;
  }
}

async function main() {
  try {
    const data = await fetchData('https://api.example.com/data');
    console.log('داده:', data);
  } catch (error) {
    console.error('خطایی رخ داد:', error);
  }
}

main();

مثال: Async/Await در پایتون

کتابخانه asyncio پایتون قابلیت async/await را فراهم می‌کند.

import asyncio
import aiohttp

async def fetch_data(url):
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        async with session.get(url) as response:
            return await response.json()

async def main():
    data = await fetch_data('https://api.example.com/data')
    print(f'Data: {data}')

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(main())

تردها در مقابل Async: یک مقایسه دقیق

در اینجا جدولی وجود دارد که تفاوت‌های کلیدی بین تردها و async/await را خلاصه می‌کند:

ویژگی	تردها	Async/Await
موازی‌سازی	به موازی‌سازی واقعی بر روی پردازنده‌های چند هسته‌ای دست می‌یابد.	موازی‌سازی واقعی را فراهم نمی‌کند؛ بر همزمانی تکیه دارد.
موارد استفاده	مناسب برای وظایف وابسته به CPU و I/O.	عمدتاً برای وظایف وابسته به I/O مناسب است.
سربار	سربار بالاتر به دلیل ایجاد و مدیریت تردها.	سربار کمتر در مقایسه با تردها.
پیچیدگی	به دلیل حافظه مشترک و مشکلات همگام‌سازی می‌تواند پیچیده باشد.	استفاده از آن به طور کلی ساده‌تر از تردها است، اما در سناریوهای خاص می‌تواند پیچیده باشد.
پاسخگویی	اگر با دقت استفاده نشود، می‌تواند ترد اصلی را مسدود کند.	با مسدود نکردن ترد اصلی، پاسخگویی را حفظ می‌کند.
مصرف منابع	مصرف منابع بالاتر به دلیل وجود چندین ترد.	مصرف منابع کمتر در مقایسه با تردها.
اشکال‌زدایی	اشکال‌زدایی به دلیل رفتار غیرقطعی می‌تواند چالش‌برانگیز باشد.	اشکال‌زدایی می‌تواند چالش‌برانگیز باشد، به ویژه با حلقه‌های رویداد پیچیده.
مقیاس‌پذیری	مقیاس‌پذیری می‌تواند توسط تعداد تردها محدود شود.	مقیاس‌پذیرتر از تردها، به ویژه برای عملیات وابسته به I/O.
قفل مفسر سراسری (GIL)	تحت تأثیر GIL در زبان‌هایی مانند پایتون قرار می‌گیرد و موازی‌سازی واقعی را محدود می‌کند.	مستقیماً تحت تأثیر GIL قرار نمی‌گیرد، زیرا به جای موازی‌سازی بر همزمانی تکیه دارد.

انتخاب رویکرد مناسب

انتخاب بین تردها و async/await به نیازمندی‌های خاص اپلیکیشن شما بستگی دارد.

• برای وظایف وابسته به CPU که به موازی‌سازی واقعی نیاز دارند، تردها عموماً انتخاب بهتری هستند. در زبان‌هایی با GIL مانند پایتون، برای دور زدن محدودیت GIL، استفاده از چندپردازشی (multiprocessing) به جای چندنخی (multithreading) را در نظر بگیرید.
• برای وظایف وابسته به I/O که به پاسخگویی و مقیاس‌پذیری بالا نیاز دارند، async/await اغلب رویکرد ترجیحی است. این امر به ویژه برای اپلیکیشن‌هایی با تعداد زیادی اتصال یا عملیات همزمان، مانند وب سرورها یا کلاینت‌های شبکه، صادق است.

ملاحظات عملی:

• پشتیبانی زبان: زبانی را که استفاده می‌کنید بررسی کنید و از پشتیبانی آن برای روشی که انتخاب می‌کنید اطمینان حاصل کنید. پایتون، جاوااسکریپت، جاوا، گو و سی‌شارپ همگی پشتیبانی خوبی از هر دو روش دارند، اما کیفیت اکوسیستم و ابزارهای هر رویکرد بر سهولت انجام وظیفه شما تأثیر می‌گذارد.
• تخصص تیم: تجربه و مجموعه مهارت‌های تیم توسعه خود را در نظر بگیرید. اگر تیم شما با تردها آشناتر است، ممکن است با استفاده از آن رویکرد بهره‌وری بیشتری داشته باشد، حتی اگر async/await از نظر تئوری بهتر باشد.
• کدبیس موجود: هر کدبیس یا کتابخانه موجودی را که استفاده می‌کنید در نظر بگیرید. اگر پروژه شما قبلاً به شدت به تردها یا async/await متکی است، ممکن است پایبندی به رویکرد موجود آسان‌تر باشد.
• پروفایل‌سازی و بنچمارکینگ: همیشه کد خود را پروفایل و بنچمارک کنید تا مشخص شود کدام رویکرد بهترین عملکرد را برای مورد استفاده خاص شما فراهم می‌کند. به فرضیات یا مزایای نظری تکیه نکنید.

مثال‌های واقعی و موارد استفاده

تردها

• پردازش تصویر: انجام عملیات پیچیده پردازش تصویر بر روی چندین تصویر به طور همزمان با استفاده از چندین ترد. این کار از چندین هسته CPU برای تسریع زمان پردازش بهره می‌برد.
• شبیه‌سازی‌های علمی: اجرای شبیه‌سازی‌های علمی محاسباتی سنگین به صورت موازی با استفاده از تردها برای کاهش زمان اجرای کلی.
• توسعه بازی: استفاده از تردها برای مدیریت جنبه‌های مختلف یک بازی، مانند رندر، فیزیک و هوش مصنوعی، به صورت همزمان.

Async/Await

• وب سرورها: مدیریت تعداد زیادی درخواست کلاینت همزمان بدون مسدود کردن ترد اصلی. برای مثال، Node.js به شدت به async/await برای مدل I/O غیرمسدودکننده خود متکی است.
• کلاینت‌های شبکه: دانلود چندین فایل یا ارسال چندین درخواست API به صورت همزمان بدون مسدود کردن رابط کاربری.
• اپلیکیشن‌های دسکتاپ: انجام عملیات طولانی مدت در پس‌زمینه بدون فریز شدن رابط کاربری.
• دستگاه‌های IoT: دریافت و پردازش داده از چندین سنسور به صورت همزمان بدون مسدود کردن حلقه اصلی اپلیکیشن.

بهترین شیوه‌ها برای برنامه‌نویسی همزمان

صرف نظر از اینکه تردها یا async/await را انتخاب می‌کنید، پیروی از بهترین شیوه‌ها برای نوشتن کد همزمان قوی و کارآمد بسیار مهم است.

بهترین شیوه‌های عمومی

• به حداقل رساندن حالت مشترک: مقدار حالت مشترک بین تردها یا وظایف غیرهمزمان را کاهش دهید تا خطر شرایط رقابتی و مشکلات همگام‌سازی به حداقل برسد.
• استفاده از داده‌های تغییرناپذیر: هر زمان که ممکن است، ساختارهای داده تغییرناپذیر را ترجیح دهید تا از نیاز به همگام‌سازی جلوگیری کنید.
• اجتناب از عملیات مسدودکننده: از عملیات مسدودکننده در وظایف غیرهمزمان برای جلوگیری از مسدود کردن حلقه رویداد اجتناب کنید.
• مدیریت صحیح خطاها: مدیریت خطای مناسب را پیاده‌سازی کنید تا از خراب شدن اپلیکیشن شما توسط استثناهای مدیریت نشده جلوگیری شود.
• استفاده از ساختارهای داده Thread-Safe: هنگام به اشتراک‌گذاری داده بین تردها، از ساختارهای داده thread-safe که مکانیسم‌های همگام‌سازی داخلی را فراهم می‌کنند، استفاده کنید.
• محدود کردن تعداد تردها: از ایجاد تعداد زیادی ترد خودداری کنید، زیرا این امر می‌تواند منجر به تعویض زمینه بیش از حد و کاهش عملکرد شود.
• استفاده از ابزارهای همزمانی: از ابزارهای همزمانی ارائه شده توسط زبان برنامه‌نویسی یا فریمورک خود مانند قفل‌ها، سمافورها و صف‌ها برای ساده‌سازی همگام‌سازی و ارتباطات استفاده کنید.
• تست کامل: کد همزمان خود را به طور کامل تست کنید تا باگ‌های مرتبط با همزمانی را شناسایی و رفع کنید. از ابزارهایی مانند thread sanitizers و race detectors برای کمک به شناسایی مشکلات بالقوه استفاده کنید.

ویژه تردها

• استفاده دقیق از قفل‌ها: از قفل‌ها برای محافظت از منابع مشترک در برابر دسترسی همزمان استفاده کنید. با این حال، با به دست آوردن قفل‌ها به ترتیب ثابت و آزاد کردن آنها در اسرع وقت، مراقب باشید تا از بن‌بست جلوگیری کنید.
• استفاده از عملیات اتمی: هر زمان که ممکن است از عملیات اتمی استفاده کنید تا از نیاز به قفل‌ها جلوگیری کنید.
• آگاهی از False Sharing: False sharing زمانی رخ می‌دهد که تردها به آیتم‌های داده مختلفی دسترسی پیدا می‌کنند که اتفاقاً در یک خط کش (cache line) قرار دارند. این امر می‌تواند به دلیل نامعتبر شدن کش، منجر به کاهش عملکرد شود. برای جلوگیری از false sharing، ساختارهای داده را پدگذاری کنید تا اطمینان حاصل شود که هر آیتم داده در یک خط کش جداگانه قرار دارد.

ویژه Async/Await

• اجتناب از عملیات طولانی مدت: از انجام عملیات طولانی مدت در وظایف غیرهمزمان خودداری کنید، زیرا این کار می‌تواند حلقه رویداد را مسدود کند. اگر نیاز به انجام یک عملیات طولانی مدت دارید، آن را به یک ترد یا فرآیند جداگانه منتقل کنید.
• استفاده از کتابخانه‌های غیرهمزمان: هر زمان که ممکن است از کتابخانه‌ها و APIهای غیرهمزمان استفاده کنید تا از مسدود کردن حلقه رویداد جلوگیری کنید.
• زنجیره‌سازی صحیح Promiseها: Promiseها را به درستی زنجیره‌سازی کنید تا از callbackهای تودرتو و جریان کنترل پیچیده جلوگیری شود.
• مراقبت از استثناها: استثناها را در وظایف غیرهمزمان به درستی مدیریت کنید تا از خراب شدن اپلیکیشن شما توسط استثناهای مدیریت نشده جلوگیری شود.

نتیجه‌گیری

برنامه‌نویسی همزمان یک تکنیک قدرتمند برای بهبود عملکرد و پاسخگویی اپلیکیشن‌ها است. اینکه آیا تردها یا async/await را انتخاب می‌کنید به نیازمندی‌های خاص اپلیکیشن شما بستگی دارد. تردها موازی‌سازی واقعی را برای وظایف وابسته به CPU فراهم می‌کنند، در حالی که async/await برای وظایف وابسته به I/O که به پاسخگویی و مقیاس‌پذیری بالا نیاز دارند، بسیار مناسب است. با درک تفاوت‌ها و مزایا و معایب این دو رویکرد و پیروی از بهترین شیوه‌ها، می‌توانید کد همزمان قوی و کارآمدی بنویسید.

به یاد داشته باشید که زبان برنامه‌نویسی که با آن کار می‌کنید، مجموعه مهارت‌های تیم خود را در نظر بگیرید و همیشه کد خود را پروفایل و بنچمارک کنید تا تصمیمات آگاهانه‌ای در مورد پیاده‌سازی همزمانی بگیرید. برنامه‌نویسی همزمان موفق در نهایت به انتخاب بهترین ابزار برای کار و استفاده موثر از آن خلاصه می‌شود.