冒号和他的学生们(连载8)——并发范式
在合作中竞争,在竞争中合作 ——《竞合》
逗号好奇地问:“还有其他类型的编程范式吗?”
“不但有,而且有很多。”冒号喝了一口水,悠悠地说,“并发式编程就是其中之一。”
叹号有些惊讶:“并发式编程也算一种范式?它似乎更像是提供运行效率的一种手段。”
“大谬不然。”冒号摇摇头,“真正的并发式编程,绝不只是调用线程API或使用synchronized、lock之类的关键字那么简单。从宏观的架构设计,到微观的数据结构、流程控制乃至算法,相比通常的串行式编程都可能发生变化。随着硬件性能和用户需求的双重提升,并发式编程已成为不可回避的主题。毫不夸张地说,并发式编程是继OOP之后又一场思想和技术上的革命。只是相比OOP,尽管年龄相仿,但语言上不够支持,标准上不够统一,理论上不够完善,因而这场革命更具破坏性和建设性。现在我们来看一个例子,比较两种烧水泡茶的方案。”
说着冒号在黑板上写下——
方案一:洗茶杯;放茶叶;灌水壶;烧水;水开后泡茶。
方案二:灌水壶;在烧水的同时,洗茶杯;放茶叶;水开后泡茶。
引号见多识广:“我记得这好像是运筹学中的例子,显然方案二更佳。从编程的角度来看,方案一是串行式编程,方案二是并发式编程——烧水的线程与洗茶杯放茶叶的线程是同时进行的。”
“如果方案一也用并发式编程呢?”冒号追问。
引号一愣,随即道:“必须先洗茶杯后放茶叶,洗茶杯放茶叶的同时也没法烧水,至于泡茶,更得等水开之后了。”
“由此可见,单凭并发式编程并不能保证提高效率,还必须在程序设计上作改进。”冒号说道,“并发式编程以进程为导向(Process-Oriented),以资源共享与竞争为主线——与当今世界形势何其相似乃尔!这意味着程序设计将围绕进程的划分与调度、进程之间的通讯与同步等等来展开。合理的进程设计应该能做到——”
- 软件易于重用、维护、测试
- 公平有效地利用资源,优化程序性能如增大吞吐量、减少响应时间、提高效率等
- 保障进程安全,防止竞态条件(Race Condition)
- 保持进程活性,避免死锁、饥饿、活锁、资源枯竭等
- 减少锁开销、上下文切换等带来的性能损失
- 妥善处理多进程在算法、调试等方面带来的复杂性
叹号蹙眉:“并发式编程好是好,就是太复杂。”
冒号淡淡地说:“天下没有免费的午餐。并发式编程当然不容易,但也并非难以掌握。最重要的是,作为一个程序员,你不得不面对它。即使你不直接用并发式编程,你依赖的代码和依赖你的代码也可能用到;即使现在没有用并发式,将来也可能用到。如果采取避而不理的鸵鸟政策,早晚会被人点中你的死穴。”
句号谈及他的感受:“相比OOP在语言上得到的支持,并发式的支持力度好像很不够。”
冒号点头称是:“这是由并发式的复杂性和成熟度决定的。主流语言中Java和C#对并发式编程在语法上有一定的支持,而C与C++除了关键字volatile外,主要靠library支持。专门为并发式而设计的语言大多仅限于学术研究而非商业应用,Erlang语言是少数的例外。”
问号提了一个听似奇怪的问题:“并发式与前面提到的对象式有无共通之处?”
“并发式与对象式虽是互相正交的两种范式,倒真有些相通呢。”冒号回答,“它们均与三大基本范式正交,并且越来越广泛地向它们渗透着;均为传统编程的一种推广——并发式进程的个数为一时即为传统的串行式编程,对象的方法个数为为零即为传统的数据结构;均将整个程序系统分解为若干独立的子系统,不同的是一个以任务为单位,一个以对象为单位;子系统之间均能交流与合作,不同的是一个以竞争为主题,一个以服务为主题。如果将程序系统视作公司,那么并发式系统是产品型公司,每个进程是一名工人,其职责是执行单一任务;对象式系统是服务型公司,每个对象是一名服务员,其职责是提供系列服务。由此可见,一名优秀的程序设计师也应该是一名优秀的管理者。”
句号提出:“迄今为止我们谈到了五种范式,能否对它们简单概括一下?”
少顷,黑板上出现几行排比句——
过程式:以过程为模块的君主体系,模块之间互相授命与听命
函数式:以函数为模块的数学体系,模块之间互相替换与合成
逻辑式:以断言为模块的逻辑体系,模块之间互相归纳与演绎
对象式:以对象为模块的民主体系,模块之间互相交流与服务
并发式:以进程为模块的生产体系,模块之间互相竞争与合作
“并发式编程要求我们摆脱以往习惯的按部就班的思维方式,对编程提出了更高的挑战。程序世界与现实世界一样,呈百舸争流、千帆竞发之势,不进则退啊!”言讫,冒号宣布,“第二堂课到此为止,欢迎下次光临。”