10張圖讓你徹底理解回調(diào)函數(shù)

大家好，以前寫過一篇關(guān)于回調(diào)函數(shù)的文章C語言函數(shù)指針之回調(diào)函數(shù)，今天又安排了一篇。

不知你是不是也有這樣的疑惑，我們?yōu)槭裁葱枰卣{(diào)函數(shù)這個概念呢？直接調(diào)用函數(shù)不就可以了？回調(diào)函數(shù)到底有什么作用？程序員到底該如何理解回調(diào)函數(shù)？

這篇文章就來為你解答這些問題，讀完這篇文章后你的武器庫將新增一件功能強大的利器。

一切要從這樣的需求說起

假設(shè)你們公司要開發(fā)下一代國民App“明日油條”，一款主打解決國民早餐問題的App，為了加快開發(fā)進度，這款應(yīng)用由A小組和B小組協(xié)同開發(fā)。 其中有一個核心模塊由A小組開發(fā)然后供B小組調(diào)用，這個核心模塊被封裝成了一個函數(shù)，這個函數(shù)就叫make_youtiao()。 如果make_youtiao()這個函數(shù)執(zhí)行的很快并可以立即返回，那么B小組的同學(xué)只需要：

1. 調(diào)用make_youtiao()
2. 等待該函數(shù)執(zhí)行完成
3. 該函數(shù)執(zhí)行完后繼續(xù)后續(xù)流程
   

從程序執(zhí)行的角度看這個過程是這樣的：

1. 保存當前被執(zhí)行函數(shù)的上下文
2. 開始執(zhí)行make_youtiao()這個函數(shù)
3. make_youtiao()執(zhí)行完后，控制轉(zhuǎn)回到調(diào)用函數(shù)中

如果世界上所有的函數(shù)都像make_youtiao()這么簡單，那么程序員大概率就要失業(yè)了，還好程序的世界是復(fù)雜的，這樣程序員才有了存在的價值。

現(xiàn)實并不容易

現(xiàn)實中make_youtiao()這個函數(shù)需要處理的數(shù)據(jù)非常龐大，假設(shè)有10000個，那么make_youtiao(10000)不會立刻返回，而是可能需要10分鐘才執(zhí)行完成并返回。 這時你該怎么辦呢？想一想這個問題。 可能有的同學(xué)會問，和剛才一樣直接調(diào)用不可以嗎，這樣多簡單。 是的，這樣做沒有問題，但就像愛因斯坦說的那樣“一切都應(yīng)該盡可能簡單，但是不能過于簡單”。 想一想直接調(diào)用會有什么問題？ 顯然直接調(diào)用的話，那么調(diào)用線程會被阻塞暫停，在等待10分鐘后才能繼續(xù)運行。在這10分鐘內(nèi)該線程不會被操作系統(tǒng)分配CPU，也就是說該線程得不到任何推進。 這并不是一種高效的做法。 沒有一個程序員想死盯著屏幕10分鐘后才能得到結(jié)果。 那么有沒有一種更加高效的做法呢？ 想一想我們上一篇中那個一直盯著你寫代碼的老板(見《從小白到高手，你需要理解同步與異步》)，我們已經(jīng)知道了這種一直等待直到另一個任務(wù)完成的模式叫做同步。 如果你是老板的話你會什么都不干一直盯著員工寫代碼嗎？因此一種更好的做法是程序員在代碼的時候老板該干啥干啥，程序員寫完后自然會通知老板，這樣老板和程序員都不需要相互等待，這種模式被稱為異步。 回到我們的主題，這里一種更好的方式是調(diào)用make_youtiao()這個函數(shù)后不再等待這個函數(shù)執(zhí)行完成，而是直接返回繼續(xù)后續(xù)流程，這樣A小組的程序就可以和make_youtiao()這個函數(shù)同時進行了，就像這樣：

在這種情況下，回調(diào)(callback)就必須出場了。

為什么我們需要回調(diào)callback

有的同學(xué)可能還沒有明白為什么在這種情況下需要回調(diào)，別著急，我們慢慢講。 假設(shè)我們“明日油條”App代碼第一版是這樣寫的：

make_youtiao(10000);sell();

可以看到這是最簡單的寫法，意思很簡單，制作好油條后賣出去。

我們已經(jīng)知道了由于make_youtiao(10000)這個函數(shù)10分鐘才能返回，你不想一直死盯著屏幕10分鐘等待結(jié)果，那么一種更好的方法是讓make_youtiao()這個函數(shù)知道制作完油條后該干什么，即，更好的調(diào)用make_youtiao的方式是這樣的： “制作10000個油條， 炸好后賣出去 ”，因此調(diào)用make_youtiao就變出這樣了：

make_youtiao(10000, sell);

看到了吧，現(xiàn)在make_youtiao這個函數(shù)多了一個參數(shù)，除了指定制作油條的數(shù)量外 還可以指定制作好后該干什么 ，第二個被make_youtiao這個函數(shù)調(diào)用的函數(shù)就叫回調(diào)，callback。 現(xiàn)在你應(yīng)該看出來了吧，雖然sell函數(shù)是你定義的，但是這個函數(shù)卻是被其它模塊調(diào)用執(zhí)行的，就像這樣：

make_youtiao這個函數(shù)是怎么實現(xiàn)的呢，很簡單：

void make_youtiao(int num, func call_back) { // 制作油條 call_back(); //執(zhí)行回調(diào) }

這樣你就不用死盯著屏幕了，因為你把make_youtiao這個函數(shù)執(zhí)行完后該做的任務(wù)交代給make_youtiao這個函數(shù)了，該函數(shù)制作完油條后知道該干些什么，這樣就解放了你的程序。 有的同學(xué)可能還是有疑問，為什么編寫make_youtiao這個小組不直接定義sell函數(shù)然后調(diào)用呢？ 不要忘了明日油條這個App是由A小組和B小組同時開發(fā)的，A小組在編寫make_youtiao時怎么知道B小組要怎么用這個模塊，假設(shè)A小組真的自己定義sell函數(shù)就會這樣寫：

void make_youtiao(int num) { real_make_youtiao(num); sell(); //執(zhí)行回調(diào) }

同時A小組設(shè)計的模塊非常好用，這時C小組也想用這個模塊，然而C小組的需求是制作完油條后放到倉庫而不是不是直接賣掉，要滿足這一需求那么A小組該怎么寫呢？

void make_youtiao(int num) { real_make_youtiao(num);  if (Team_B) { sell(); // 執(zhí)行回調(diào) } else if (Team_D) { store(); // 放到倉庫 }}

故事還沒完，假設(shè)這時D小組又想使用呢，難道還要接著添加if else嗎？ 這樣的話A小組的同學(xué)只需要維護make_youtiao這個函數(shù)就能做到工作量飽滿了，顯然這是一種非常糟糕的設(shè)計。 所以你會看到，制作完油條后接下來該做什么不是實現(xiàn)make_youtiao的A小組該關(guān)心的事情，很明顯只有調(diào)用make_youtiao這個函數(shù)的使用方才知道。 因此make_youtiao的A小組完全可以通過回調(diào)函數(shù)將接下來該干什么交給調(diào)用方實現(xiàn)，A小組的同學(xué)只需要針對回調(diào)函數(shù)這一抽象概念進行編程就好了，這樣調(diào)用方在制作完油條后不管是賣掉、放到庫存還是自己吃掉等等想做什么都可以，A小組的make_youtiao函數(shù)根本不用做任何改動，因為A小組是針對回調(diào)函數(shù)這一抽象概念來編程的。 以上就是回調(diào)函數(shù)的作用，當然這也是針對抽象而不是具體實現(xiàn)進行編程這一思想的威力所在。面向?qū)ο笾械亩鄳B(tài)本質(zhì)上就是讓你用來針對抽象而不是針對實現(xiàn)來編程的。

異步回調(diào)

故事到這里還沒有結(jié)束。 在上面的示例中，雖然我們使用了回調(diào)這一概念，也就是調(diào)用方實現(xiàn)回調(diào)函數(shù)然后再將該函數(shù)當做參數(shù)傳遞給其它模塊調(diào)用。 但是，這里依然有一個問題，那就是make_youtiao函數(shù)的調(diào)用方式依然是同步的，關(guān)于同步異步請參考《從小白到高手，你需要理解同步與異步》，也就是說調(diào)用方是這樣實現(xiàn)的：

make_youtiao(10000, sell);// make_youtiao函數(shù)返回前什么都做不了

我們可以看到，調(diào)用方必須等待make_youtiao函數(shù)返回后才可以繼續(xù)后續(xù)流程，我們再來看下make_youtiao函數(shù)的實現(xiàn)：

void make_youtiao(int num, func call_back) { real_make_youtiao(num); call_back(); //執(zhí)行回調(diào) }

看到了吧，由于我們要制作10000個油條，make_youtiao函數(shù)執(zhí)行完需要10分鐘，也就是說即便我們使用了回調(diào)，調(diào)用方完全不需要關(guān)心制作完油條后的后續(xù)流程，但是調(diào)用方依然會被阻塞10分鐘，這就是同步調(diào)用的問題所在。 如果你真的理解了上一節(jié)的話應(yīng)該能想到一種更好的方法了。 沒錯，那就是異步調(diào)用。 反正制作完油條后的后續(xù)流程并不是調(diào)用方該關(guān)心的，也就是說調(diào)用方并不關(guān)心make_youtiao這一函數(shù)的返回值，那么一種更好的方式是：把制作油條的這一任務(wù)放到另一個線程(進程)、甚至另一臺機器上。 如果用線程實現(xiàn)的話，那么make_youtiao就是這樣實現(xiàn)了:

void make_youtiao(int num, func call_back) { // 在新的線程中執(zhí)行處理邏輯 create_thread(real_make_youtiao, num, call_back);}

看到了吧，這時當我們調(diào)用make_youtiao時就會 立刻返回 ，即使油條還沒有真正開始制作，而調(diào)用方也完全無需等待制作油條的過程，可以立刻執(zhí)行后流程：

make_youtiao(10000, sell);// 立刻返回// 執(zhí)行后續(xù)流程

這時調(diào)用方的后續(xù)流程可以和制作油條 同時 進行，這就是函數(shù)的 異步調(diào)用 ，當然這也是異步的高效之處。

新的編程思維模式

讓我們再來仔細的看一下這個過程。 程序員最熟悉的思維模式是這樣的：

• 調(diào)用某個函數(shù)，獲取結(jié)果
• 處理獲取到的結(jié)果

res = request();handle(res);

這就是函數(shù)的同步調(diào)用，只有request()函數(shù)返回拿到結(jié)果后，才能調(diào)用handle函數(shù)進行處理，request函數(shù)返回前我們必須 等待 ，這就是同步調(diào)用，其控制流是這樣的：

但是如果我們想更加高效的話，那么就需要異步調(diào)用了，我們不去直接調(diào)用handle函數(shù)，而是作為參數(shù)傳遞給request：

request(handle);

我們根本就不關(guān)心request什么時候真正的獲取的結(jié)果，這是request該關(guān)心的事情，我們只需要把獲取到結(jié)果后該怎么處理告訴request就可以了，因此request函數(shù)可以立刻返回，真的獲取結(jié)果的處理可能是在另一個線程、進程、甚至另一臺機器上完成。 這就是異步調(diào)用，其控制流是這樣的：

從編程思維上看，異步調(diào)用和同步有很大的差別，如果我們把處理流程當做一個任務(wù)來的話，那么同步下整個任務(wù)都是我們來實現(xiàn)的，但是異步情況下任務(wù)的處理流程被分為了兩部分：

1. 第一部分是我們來處理的，也就是調(diào)用request之前的部分
2. 第二部分不是我們處理的，而是在其它線程、進程、甚至另一個機器上處理的。

我們可以看到由于任務(wù)被分成了兩部分，第二部分的調(diào)用不在我們的掌控范圍內(nèi)，同時只有調(diào)用方才知道該做什么，因此在這種情況下回調(diào)函數(shù)就是一種必要的機制了。 也就是說回調(diào)函數(shù)的本質(zhì)就是“只有我們才知道做些什么，但是我們并不清楚什么時候去做這些，只有其它模塊才知道，因此我們必須把我們知道的封裝成回調(diào)函數(shù)告訴其它模塊”。 現(xiàn)在你應(yīng)該能看出異步回調(diào)這種編程思維模式和同步的差異了吧。 接下來我們給回調(diào)一個較為學(xué)術(shù)的定義

正式定義

在計算機科學(xué)中，回調(diào)函數(shù)是指一段以參數(shù)的形式傳遞給其它代碼的可執(zhí)行代碼。

這就是回調(diào)函數(shù)的定義了。
回調(diào)函數(shù)就是一個函數(shù)，和其它函數(shù)沒有任何區(qū)別。 注意，回調(diào)函數(shù)是一種軟件設(shè)計上的概念，和某個編程語言沒有關(guān)系，幾乎所有的編程語言都能實現(xiàn)回調(diào)函數(shù)。 對于一般的函數(shù)來說，我們自己編寫的函數(shù)會在自己的程序內(nèi)部調(diào)用，也就是說函數(shù)的編寫方是我們自己，調(diào)用方也是我們自己。 但回調(diào)函數(shù)不是這樣的，雖然函數(shù)編寫方是我們自己，但是函數(shù)調(diào)用方不是我們，而是我們引用的其它模塊，也就是第三方庫，我們調(diào)用第三方庫中的函數(shù)，并把回調(diào)函數(shù)傳遞給第三方庫，第三方庫中的函數(shù)調(diào)用我們編寫的回調(diào)函數(shù)，如圖所示：

而之所以需要給第三方庫指定回調(diào)函數(shù)，是因為第三方庫的編寫者并不清楚在某些特定節(jié)點，比如我們舉的例子油條制作完成、接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、文件讀取完成等之后該做什么，這些只有庫的使用方才知道，因此第三方庫的編寫者無法針對具體的實現(xiàn)來寫代碼，而只能對外提供一個回調(diào)函數(shù)，庫的使用方來實現(xiàn)該函數(shù)，第三方庫在特定的節(jié)點調(diào)用該回調(diào)函數(shù)就可以了。 另一點值得注意的是，從圖中我們可以看出回調(diào)函數(shù)和我們的主程序位于同一層中，我們只負責(zé)編寫該回調(diào)函數(shù)，但并不是我們來調(diào)用的。 最后值得注意的一點就是回調(diào)函數(shù)被調(diào)用的時間節(jié)點，回調(diào)函數(shù)只在某些特定的節(jié)點被調(diào)用，就像上面說的油條制作完成、接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、文件讀取完成等，這些都是事件，也就是event，本質(zhì)上我們編寫的回調(diào)函數(shù)就是用來處理event的，因此從這個角度看回調(diào)函數(shù)不過就是event handler，因此回調(diào)函數(shù)天然適用于事件驅(qū)動編程event-driven，我們將會在后續(xù)文章中再次回到這一主題。

回調(diào)的類型

我們已經(jīng)知道有兩種類型的回調(diào)，這兩種類型的回調(diào)區(qū)別在于回調(diào)函數(shù)被調(diào)用的時機。 注意，接下來會用到同步和異步的概念，對這兩個概念不熟悉的同學(xué)可以參考上一盤文章《從小白到高手，你需要理解同步和異步》。
同步回調(diào) 這種回調(diào)就是通常所說的同步回調(diào)synchronous callbacks、也有的將其稱為阻塞式回調(diào)blocking callbacks，或者什么修飾都沒有，就是回調(diào)，callback，這是我們最為熟悉的回調(diào)方式。 當我們調(diào)用某個函數(shù)A并以參數(shù)的形式傳入回調(diào)函數(shù)后，在A返回之前回調(diào)函數(shù)會被執(zhí)行，也就是說我們的主程序會等待回調(diào)函數(shù)執(zhí)行完成，這就是所謂的同步回調(diào)。

有同步回調(diào)就有異步回調(diào)。
異步回調(diào) 不同于同步回調(diào)， 當我們調(diào)用某個函數(shù)A并以參數(shù)的形式傳入回調(diào)函數(shù)后，A函數(shù)會立刻返回，也就是說函數(shù)A并不會阻塞我們的主程序，一段時間后回調(diào)函數(shù)開始被執(zhí)行，此時我們的主程序可能在忙其它任務(wù)，回調(diào)函數(shù)的執(zhí)行和我們主程序的運行同時進行。 既然我們的主程序和回調(diào)函數(shù)的執(zhí)行可以同時發(fā)生，因此一般情況下，主程序和回調(diào)函數(shù)的執(zhí)行位于不同的線程或者進程中。

這就是所謂的異步回調(diào)，asynchronous callbacks，也有的資料將其稱為deferred callbacks ，名字很形象，延遲回調(diào)。 從上面這兩張圖中我們也可以看到，異步回調(diào)要比同步回調(diào)更能充分的利用機器資源，原因就在于在同步模式下主程序會“偷懶”，因為調(diào)用其它函數(shù)被阻塞而暫停運行，但是異步調(diào)用不存在這個問題，主程序會一直運行下去。 因此，異步回調(diào)更常見于I/O操作，天然適用于Web服務(wù)這種高并發(fā)場景。

回調(diào)對應(yīng)的編程思維模式

讓我們用簡單的幾句話來總結(jié)一下回調(diào)下與常規(guī)編程思維模式的不同。 假設(shè)我們想處理某項任務(wù)，這項任務(wù)需要依賴某項服務(wù)S，我們可以將任務(wù)的處理分為兩部分，調(diào)用服務(wù)S前的部分PA，和調(diào)用服務(wù)S后的部分PB。 在常規(guī)模式下，PA和PB都是服務(wù)調(diào)用方來執(zhí)行的，也就是我們自己來執(zhí)行PA部分，等待服務(wù)S返回后再執(zhí)行PB部分。 但在回調(diào)這種方式下就不一樣了。 在這種情況下，我們自己來執(zhí)行PA部分，然后告訴服務(wù)S：“等你完成服務(wù)后執(zhí)行PB部分”。 因此我們可以看到，現(xiàn)在一項任務(wù)是由不同的模塊來協(xié)作完成的。 即：

• 常規(guī)模式：調(diào)用完S服務(wù)后后我去執(zhí)行X任務(wù)，
• 回調(diào)模式：調(diào)用完S服務(wù)后你接著再去執(zhí)行X任務(wù)，

其中X是服務(wù)調(diào)用方制定的，區(qū)別在于誰來執(zhí)行。

為什么異步回調(diào)越來越重要

在同步模式下，服務(wù)調(diào)用方會因服務(wù)執(zhí)行而被阻塞暫停執(zhí)行，這會導(dǎo)致整個線程被阻塞，因此這種編程方式天然不適用于高并發(fā)動輒幾萬幾十萬的并發(fā)連接場景， 針對高并發(fā)這一場景，異步其實是更加高效的，原因很簡單，你不需要在原地等待，因此從而更好的利用機器資源，而回調(diào)函數(shù)又是異步下不可或缺的一種機制。

回調(diào)地獄，callback hell

有的同學(xué)可能認為有了異步回調(diào)這種機制應(yīng)付起一切高并發(fā)場景就可以高枕無憂了。 實際上在計算機科學(xué)中還沒有任何一種可以橫掃一切包治百病的技術(shù)，現(xiàn)在沒有，在可預(yù)見的將來也不會有，一切都是妥協(xié)的結(jié)果。 那么異步回調(diào)這種機制有什么問題呢？ 實際上我們已經(jīng)看到了，異步回調(diào)這種機制和程序員最熟悉的同步模式不一樣，在可理解性上比不過同步，而如果業(yè)務(wù)邏輯相對復(fù)雜，比如我們處理某項任務(wù)時不止需要調(diào)用一項服務(wù)，而是幾項甚至十幾項，如果這些服務(wù)調(diào)用都采用異步回調(diào)的方式來處理的話，那么很有可能我們就陷入回調(diào)地獄中。 舉個例子，假設(shè)處理某項任務(wù)我們需要調(diào)用四個服務(wù)，每一個服務(wù)都需要依賴上一個服務(wù)的結(jié)果，如果用同步方式來實現(xiàn)的話可能是這樣的：

a = GetServiceA();b = GetServiceB(a);c = GetServiceC(b);d = GetServiceD(c);

代碼很清晰，很容易理解有沒有。 我們知道異步回調(diào)的方式會更加高效，那么使用異步回調(diào)的方式來寫將會是什么樣的呢？

GetServiceA(function(a){ GetServiceB(a, function(b){ GetServiceC(b, function(c){ GetServiceD(c, function(d) { .... }); }); });});

我想不需要再強調(diào)什么了吧，你覺得這兩種寫法哪個更容易理解，代碼更容易維護呢？ 博主有幸曾經(jīng)維護過這種類型的代碼，不得不說每次增加新功能的時候恨不得自己化為兩個分身，一個不得不去重讀一邊代碼；另一個在一旁罵自己為什么當初選擇維護這個項目。 異步回調(diào)代碼稍不留意就會跌到回調(diào)陷阱中，那么有沒有一種更好的辦法既能結(jié)合異步回調(diào)的高效又能結(jié)合同步編碼的簡單易讀呢？ 幸運的是，答案是肯定的，我們會在后續(xù)文章中詳細講解這一技術(shù)。

總結(jié)

在這篇文章中，我們從一個實際的例子出發(fā)詳細講解了回調(diào)函數(shù)這種機制的來龍去脈，這是應(yīng)對高并發(fā)、高性能場景的一種極其重要的編碼機制，異步加回調(diào)可以充分利用機器資源，實際上異步回調(diào)最本質(zhì)上就是事件驅(qū)動編程，這是我們接下來要重點講解的內(nèi)容。

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