[Program Note] Asynchronous Programing與Callback Function

Asynchronous Programing

一開始要先清楚何謂同步與非同步，同步比較簡單，就像是我們去銀行辦事情，你填好單子交給行員，之後你必須在行員的櫃台一直等他完成作業，無論是開戶、領款、或者存款，這樣就是同步作業；你的程式送出request之後必須一直等待到response，才可以做其他事情。

而非同步作業時常與多執行緒作業畫上等號，實際上是不同的，多執行緒就像是有六十個人要在銀行開戶，所以銀行開了10個櫃台來處理這60個作業，但是每個櫃台實際上還是執行著上面說的同步作業。

而非同步作業是你今天要開戶，填好單子給行員之後，你可以去隔壁買飲料，點完飲料你可以去隔壁買衣服，店員幫你包裝衣服的時候你可以去7-11繳個電話費，然後飲料店叫到你的號碼了你回去拿飲料，服飾店員說你的衣服包好了你回去拿衣服，最後回到銀行剛好叫到你的號碼再去櫃檯拿你的存摺；對於程式而言，你的程式送出request之後，到收到response之間，程式可以去做其他事情。

當瞭解同步與非同步作業之後，會延伸一個問題，你要對誰送出的request跟誰會送給你response?對於這個程式角色他必須有一個特性，它必須一直都存在，當你送出一個request之後，它會接收、處理，然後回覆給你一個response，當你再次送出一個request的時候，它也會重複同樣的程序，就像一個等待你的request的迴圈一樣；這樣的設計模式(Design Pattern)有個名字叫反應堆模式(Reactor Pattern)，或者叫事件迴圈(Event Loop)、Select迴圈(Select Loop)。

下面這張圖就說明了反應堆迴圈的執行方式－等待事件、處理事件的無限迴圈；這個反應堆在程式執行期間會一直存在著，你給他一個request，就是一個event，它會處理完，給你response，然後繼續安靜的等待下一個request。

Callback Function

接著說明一下callback function，在一般的程式中，你寫了一個function，然後你在程式碼中呼叫這個function，我們可以稱為「call」一個function；如果你寫了一個function，然後把這個function的指給了某一個套件、框架、或者其他的程式，這個function在合適的時間，會由這些套件、框架、或其他程式來呼叫，那這個function就會被稱為callback function，因為它被「callback」了。

將非同步作業與callback function放在一起說並不是callback function只出現在非同步作業，在一般的程式中也可以使用callback function，例如你有一個視窗中的button函式，當這個函式執行時會呼叫一個列印文件的函式，所以你觸發按下視窗的button這個事件之後，就會列印文件，這個列印文件的函式就可以被稱為callback function；簡單來說，callback就是你只定義當事件發生時要做什麼事情(callback function)，但何時要做(callback)這件事情是由其他事件(函式、套件)來決定。

下圖是非同步與callback function最經典的說明圖(Twisted code是Python的一個非同步套件，可以替換為任何語言的非同步套件)，虛線下方為我們撰寫的程式碼，在做了一些我們想做的事情之後，例如建立TCP連線、建立物件、印出歡迎訊息等，程式會進到非同步套件的反應堆中，當事件發生時，透過我們寫的callback function回到我們的程式中處理事件，處理完之後就繼續回到反應堆中等待事件。

來看一段簡單的程式碼，這是用Python寫的MQTT subscribe:

def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print("Connected with result code " + str(rc))
    client.subscribe("test",)

def on_message(client, userdata, msg):
    print(msg.payload)

client = mqtt.Client("subclient")
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message
client.connect("192.168.1.100", 1883, 60)
client.loop_forever()

第1-3行是宣告一個連接時要執行的callback function，執行的內容是印出連接的result code，並且訂閱一個叫test的topic。

第5-6行是宣告一個收到訊息時的callback function，它會印出收到的訊息。

第8行會建立一個mqtt的物件，這行也是這個程式執行時的進入點。

第9-10行是將我們剛才定義的callback function指給mqtt物件中負責執行這兩種callback的方法。

第11行定義mqtt物件連接的broker參數。

第12行的loop_forever()是我們說的反應堆，當程式執行到這邊便會將程式的執行權交給mqtt的反應堆，這時候反應堆會先用我們剛才定義的broker參數去建立連線，連線成功之後會觸發client.on_connect方法，client.on_connect就會callback我們定義的on_connect函式，印出連線result code與訂閱test topic，然後反應堆就等待mqtt的publish，一但有publish訊息進來的事件，就會觸發client.on_message方法，client.on_message就會callback我們定義的on_message函式將publish訊息輸出到畫面，之後反應堆又會繼續等待事件的發生。