Async in Dart (1) รู้จัก Isolates และ Event Loop กับการทำงานไม่ประสานเวลากัน

ภาษา Dart มีฟีเจอร์สำหรับทำงานกับการเขียนโปรแกรมแบบ Asynchronous เต็มรูปแบบ แต่ก่อนจะสอนการใช้งาน เรามาเกริ่นว่า Synchronous และ Asynchronous Programming เป็นยังไง

Synchronous และปัญหาการโหลดข้อมูล

ตามปกติแล้วเวลาเราเขียนโปรแกรม เราก็จะเขียนคำสั่งเรียงต่อๆ กัน แต่ในบางสถานการณ์เราอาจจะต้องมีการโหลดข้อมูลจาก Data Source ภายนอก เช่นอาจจะอ่านค่าจาก Database, โหลดข้อมูลผ่านเน็ตเวิร์คจาก API ซักตัวนึง

ถ้าเขียนโค้ดแบบธรรมดาเราก็จะได้อะไรประมาณนี้

print('start loading');
var data = loadData();
print(data);
print('done');

นั่นคือเริ่มด้วยการ loadData() แล้วพอได้ data มาก็เอามาแสดงผล

แล้วปัญหามันอยู่ตรงไหนกัน ??

เพราะการเชื่อมต่อ I/O หรือขอข้อมูลจากภายนอกจะเกิดสิ่งที่เรียกว่า "Delay" ขึ้นน่ะสิ!! เพราะการติดต่อกับแหล่งข้อมูลจากภายนอกจะต้องเสียเวลาในการเชื่อมต่อ แม้ไม่ได้มากนัก อาจจะแค่ไม่กี่ร้อย millisec แต่ก็ถือว่าเป็นระยะเวลาที่นานมากสำหรับ CPU

ถ้าเราเขียนโปรแกรมในโหมด Command Line การที่ข้อมูลจะตอบกลับมาช้าซัก 1-2 วินาที ก็คงไม่มีผลอะไรมาก (หน้าจอโปรแกรมก็ค้างรอโหลดอยู่ตรงนั้น พอโหลดเสร็จค่อยแสดงผลออกมา)

แต่โปรแกรมหรือแอพที่เราใช้ๆ กันอยู่ทุกวันนี้มันไม่ได้เป็นแบบนั้น

ถ้าลองนึกถึงโปรแกรมในปัจจุบันส่วนใหญ่แล้ว จะมีUIให้ใช้งานแบบกราฟิกโหมด .. ก็คือใช้งานผ่านการคลิกเมาส์หรือการกดปุ่มโน่นนี่นั่นแหละ

นั่นแปลว่านอกจากโปรแกรมจะต้องทำการโหลดข้อมูลแล้ว มันยังต้องควบคุมส่วนUIด้วย ทีนี้ลองคิดดูว่าแต่ถ้าเราเขียนโปรแกรมแบบเดิมๆ กับโปรแกรมที่มีUIเป็นกราฟิกโหมดจะเกิดอะไรขึ้น

คำตอบคือ .. จังหวะที่โปรแกรมเราสั่งโหลดข้อมูล และมันกำลังรอให้ข้อมูลตอบกลับมา อยู่นั้น CPUจะไม่สามารถปลีกตัวไปทำงานอย่างอื่นได้เลย แม้แต่การจัดการกับUI (แปลว่าโปรแกรมเราจะดูเหมือนค้างไปเลย กดปุ่มอะไรก็ไม่ได้ ถ้าเป็นแอพในมือถือก็จะสกอร์หน้าขึ้นลงอะไรไม่ได้เลย ค้างอยู่เฉยๆ แบบนั้นเลย) โปรแกรมจะกลับมาทำงานต่อได้อีกทีก็ต้องโน้นเลย คำสั่งที่ทำการโหลดข้อมูลทำงานเสร็จแล้วนั่นแหละ!

Asynchronous โปรแกรมที่ทำงานกระโดดไปกระโดดมา

ความจริงแล้ว Asynchronous แปลว่าการทำงานแบบไม่ประสานเวลา (ตรงข้ามกับ Synchronous ที่แปลว่าการทำงานแบบประสานเวลา)

นั่นแปลว่าโค้ดที่เราเขียนอาจจะไม่ได้รันตามลำดับบรรทัดก็เป็นได้ เช่นตัวอย่างข้างล่างนี่

// Synchronous
void main(){
    print('start loading');
    var data = loadData();
    print(data);
    print('done');
}

// Asynchronous
void main(){
    print('start loading');
    loadData().then((data){
        print(data);
    });
    print('done');
}

จากโค้ด จะเห็นว่าสำหรับฟังก์ชัน loadData() ที่มีการทำงานค่อนข้างนาน เราจะไม่หยุดรอผลลัพธ์จากมัน แต่จะวางฟังก์ชันอีกตัวเอาไว้บอกว่า เมื่อdataกลับมา จะให้ทำอะไรต่อไป หรือเรารู้จักกันในชื่อ "Callback Function" นั่นเอง ซึ่งสามารถกำหนดได้ด้วยคำสั่ง .then() นะ

จากโค้ดด้านบน เมื่อฟังก์ชัน loadData() ทำงานเสร็จ มันจะข้ามไปทำงานบรรทัดต่อไปซึ่งก็คือ print("done") ต่อทันทีโดยไม่ต้องรอให้ data กลับมาก่อน

Asynchronous Programming ฉบับภาษาDart!

Isolates

ในภาษาDart, โค้ดทั้งหมดจะถูกรันอยู่ในสิ่งที่เรียกว่า "Isolates" ซึ่งเป็นเหมือนพื้นที่เล็กๆ บนเมโมรี่ ที่โปรแกรมหรือ Isolates ภายนอกไม่สามารถเข้ามาได้ (private)

ในภาษาอื่นๆ เช่น c/c++, Java จะสามารถสร้าง Thread ขึ้นมาได้ (ซึ่งส่วนใหญ่แล้วจะต้องควบคุมเทรดพวกนี้ด้วยตัวเอง)

อธิบาย Thread แบบรีบๆ

สโคปเนื้อหาในบทความนี้ไม่ได้รวมเรื่อง Thread แต่จะพออธิบายแบบสั้นๆ สำหรับคนยังไม่รู้จักมัน

Thread เป็นเหมือนโปรแกรมย่อยในโปรแกรมหลักของเราอีกทีนึง ในภาษาส่วนใหญ่จะมีฟีเจอร์ให้เราแยกโค้ดของเราออกเป็นโปรแกรมย่อยๆ แล้วรันมันพร้อมกันได้อยู่แล้ว โดยโปรแกรมหลักของเราจะถูกรันอยู่บนสิ่งที่เรียกว่า "Main Thread" (หรือเรียกว่า "UI Thread") เสมอ เป็นเทรดตัวหลักที่เอาไว้ควบคุมการแสดงผลบนUI แต่ถ้าเราต้องการเชื่อมต่อ Data Source ภายนอกที่กินเวลาค่อนข้างนานเราจะเป็นต้องสร้างเทรดตัวใหม่ขึ้นมา (เป็น Background Thread) แล้วโยนงานโหลดข้อมูลให้เทรดตัวนี้ไปทำงานแทน, UI Thread จะได้จัดการงานแสดงผลให้ผู้ใช้ต่อไปได้โดยหน้าจอไม่ค้าง .. ต่อมาเมื่อ Background Thread ตัวนั้นโหลดข้อมูลเสร็จแล้ว ก็จะส่งข้อมูลตัวนั้นกลับมาให้ Main Thread เพื่อแสดงผลขึ้นบนหน้าจอหรืออะไรต่อไป

ส่วนงานแบบไหนถือว่าเป็นงานที่ยาวจนทำให้ UI ค้างได้ไม่ได้มีกำหนดตายตัว เช่นใน Android กำหนดไว้ว่าUI ควรจะเรนเดอร์ที่อัตรา 60Hz นั่นแปลว่างานๆ หนึ่งต้องทำงานให้เสร็จใน 16.67ms เท่านั้น ถ้าเกินกว่านั้นควรแยกไปทำงานในเทรดตัวใหม่แทน

Event Loop

สำหรับภาษา Dart ถูกออกแบบมาให้ใช้งานง๊าย~ง่าย อยากเขียนAsyncงั้นเหรอ ไม่ต้องสร้างThreadอะไรเองแบบแมนนวลหรอก เราจัดให้!

ภาษา Dart นั้นจะแบ่งโค้ดของเราเป็น Isolates แยกๆ กันให้ด้วยตัวเองโดยโปรแกรมเมอร์ไม่ต้องกำหนดอะไรเลย

ทีนี้, เมื่อโค้ดของเราถูกแบ่งออกเป็นหลายๆ Isolates แล้วมันจะจัดลำดับการทำงานของโค้ดยังไงล่ะ

คำตอบคือภาษา Dart นั้นมีสิ่งที่เรียกว่า "Event Loop" จัดการอยู่เบื้องหลัง (ใช้เขียน JavaScript น่าจะคุ้นๆ กับสิ่งนี้เพราะแนวคิดมันเหมือนกันเลย)

Event Loop นั้นเหมือนกับผู้ที่หยิบโค้ดDartของเราไปรันแบบทีละตัวๆ แต่เพราะภาษาDartสามารถสร้าง Isolates ออกมาเรื่อยๆ กี่ตัวก็ได้

แต่เพราะ Event Loop นั้นมีอยู่แค่ตัวเดียว Isolates ที่มีอยู่หลายตัวก็เลยต้องรอกันอยู่ในคิว รอให้ Event Loop ค่อยๆ หยิบไปรันทีละตัว

แล้วDartมีหลักการแยกโค้ดออกเป็น Isolates ส่งเข้า Event Loop ยังไงนะ

ในภาษาDartจะมีคำสั่งมากมาย ทุกคำสั่งจะมีการทำงานแบบ Synchronous ทั้งหมด ยกเว้นคลาสที่ชื่อว่า Future และ Stream ที่เมื่อมันทำงานปุ๊บ มันจะกลายเป็น Asynchronous ทันที

(ส่วน Future และ Stream ใช้งานยังไง เดี๋ยวเราจะพูดกันในบทต่อๆ ไป)

ฟังก์ชันไหนรีเทิร์นค่ากลับมาเป็น Future หรือ Stream จะถูกแยกออกไปอยู่ใน Isolates ตัวใหม่ทันที

ลองมาดูตัวอย่างกัน

สมมุติว่าเรามีฟังก์ชันที่รีเทิร์นค่า Future ชื่อ future() นะ

void main(){
    print('main-1');

    future().then((){
        print('future A');
    });

    print('main-2');

    future().then((){
        print('future B-1');
        future().then((){
            print('future C');
        });
        print('future B-2');
    });

    print('main-3');
}

จากตัวอย่างข้างบน เรามีฟังก์ชันหลักคือ main ที่มีคำสั่งจำนวนหนึ่งอยู่ข้างใน แต่ให้ลองสังเกตฟังก์ชัน future() ทั้ง 2 ตัว, ซึ่ง future() ทั้งสองตัวนี้จะถูกรันเมื่อฟังก์ชัน main ทำงานนั่นแหละ แต่ผลของ future() ที่เขียนอยู่ใน .then() นั้นจะยังไม่ถูกทำงานในตอนนั้น แต่จะถูกแยกออกไปเป็น Isolates ตัวใหม่ เข้าคิวไว้รออยู่ให้ Event Loop มาหยิบไปรัน

ก็จะได้ output เรียงตามลำดับนี้

main-1
main-2
main-3
future A
future B-1
future B-2
future C

ตอนต่อไป

ในบทต่อไปเราจะมาพูดกันต่อว่าถ้าเราต้องการสร้างโค้ดที่เป็น Async เราต้องจะเขียนยังไง กับตัวที่ง่ายที่สุดนั่นคือ Future หรือพูดง่ายๆ คือ "เดี๋ยวจะทำงานโค้ดนี้ในอนาคต"