冒号课堂§2.4：并发范式

冒号课堂

第二课 重要范式(4)

 

2.4并发范式——合作与竞争

在合作中竞争，在竞争中合作                                            ——《竞合》

 

关键词：编程范式,并发式编程,线程,进程,过程式编程,函数式编程,逻辑式编程,对象式编程

摘要：并发式编程简谈

 

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·           有谁愿意驾驶一辆启动后不能刹车、不能倒车、不能变速、油尽方停的汽车呢？

·           并发式编程以进程为导向、以任务为中心将系统模块化

·           并发式编程以资源共享与竞争为主线

 

？提问

• 并发式编程有何特点？
• 并发式编程有哪些好处？
• 合理的并发式编程设计应满足哪些条件？

 

：讲解  

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（concurrent programming）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^[1]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。 ”

句号明白了冒号的用意：“这就是说，单凭并发式编程并不能保证提高程序性能，还必须在程序设计上下功夫。”

问号继续深究：“即便如此，如果硬件不支持，并发式编程也未必能提高效率啊。比如在一台单处理器的主机上，多个线程只能是模拟的、逻辑上的并行，而非真正物理上的并行。”

“这话有一定道理。”冒号有限度地表示赞同，“但设计者应该未雨绸缪，总不能等到有了多处理器才想到并发式编程吧？再者，没有多处理器，是不是可以利用多台单处理器的主机同时运算呢？退一步讲，即使在一台单处理器的情况下，并发式编程也是必不可少的。它能保证不同用户、不同程序之间的公平竞争，这对多用户、多任务的系统而言尤为重要。此外，采用并发式编程同样可能提高性能。最典型的一个例子：当一个线程因为等待某种资源而被堵塞时，可以切换到其他线程而不至让CPU闲置。更重要的一点是，难道除了缩短程序运行时间外，并发式编程就没有别的好处吗？譬如打开一个网页，你是希望浏览器边下载边显示网页呢，还是下载完成后再显示？”

 “当然是边下载边显示啦。” 叹号毫不犹豫地说，“如果每个网页都是下载完成后再显示，那还不把人给憋坏了！”

逗号加了一句：“浏览器加载文字和加载图像也应分开在不同的线程，如果用户对文字部分不感兴趣，不等图像显示就可直接关闭网页了。 ”

“如果网页被提前关闭，那也是假用户之手变相缩短了程序运行时间。”冒号接过话来，“还有一个常见的例子，包括浏览器在内的许多应用软件在运行中都会显示一个进程条。该进程条的更新需要一个单独的线程，从效率上看它起的作用是负面的，但大大提高了用户体验，是软件人性化的表现。再举一例，媒体播放器一般都会提供暂停、快进、倒退、快放、慢放等按钮，如果不采用多线程，它们将形同虚设。此处并发式编程的作用在于提高了软件的响应能力，也改善了用户体验——有谁愿意驾驶一辆启动后不能刹车、不能倒车、不能变速、油尽方停的汽车呢？”

“岂止是不愿意，简直是恐怖！”叹号加重了语气。

“对于操作系统、各种实时系统和诸如数据库、网络服务器等基于服务的系统来说，在响应用户请求的时间上和资源的合理分配上有着极高的要求，并发式编程更是不可或缺。”句号接着补充。

问号随即又问：“并发式编程还有其他用处吗？”

冒号应道：“不同编程范式采用不同的视角和方法来设计和开发软件。并发式编程以进程为导向 （Process-Oriented）、以任务为中心将系统模块化。我们都知道，模块化在编程中是个好东西。”

引号心存疑惑：“过程式中引入了函数模块，对象式中引入了对象模块，但并发式似乎没有在语法上引入新型模块，比如C和Java中的线程其实不过是函数或方法的包装而已。”

“我猜你的意思是：在定义一个线程之前，其主函数已经模块化了，不能把功劳记在并发式编程上，对吧？”冒号笑问，“你不能孤立静止地看待每个模块，还要考虑到模块之间的相互关联和作用。相比串行式，并发式在模块之间引入了新的通讯和控制方式。也就是说，原先的一些模块的定义和划分一定是建立在线程机制的基础上的。如果失去线程的支持，它们的合理性自然会打上问号，说不定整体设计都会受到牵连。这也体现了编程范式的渗透性和全局影响力。”

教室上空弥漫的疑云一消而散。

冒号进一步指出：“除了用户主观上的需求和硬件客观上的可能外，并发式显得格外重要的另一深层原因是：许多程序是现实世界的模拟，而我们生活的世界不折不扣是并发式的。从某种意义上看，并发式的模拟比对象式的模拟更贴近世界。”

引号再次提问：“并发式编程在设计上有什么要求？”

“并发式编程以资源共享与竞争为主线——又是对当今世界形势的一个逼真模拟。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^[2]等等来展开。合理的并发式设计需要诸多方面的权衡考量。”冒号说着，放出一段幻灯片——

• 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。”

“天下没有免费的午餐。有所得，必有所失。” 冒号淡淡地说，“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。虽然目前不会对并发式编程作更深入的探讨，但希望能引起你们足够的重视。”

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。另外，在究竟是在语言级别上支持并发、还是交由操作系统处理的问题上，仁者见仁，智者见智。Ada、Java和C#等选择前者，在语法上对并发式编程有一定的支持；C和C++等选择后者，除了关键字volatile外，主要靠库函数支持。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^[3]是少数的例外。顺带提一下，前面提到的声明式语言具有无副作用的特性，尤其适合于并发式编程。”

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，“它们均与三大核心范式正交，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类型；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？”

“你提问的时机把握得不错嘛。”冒号开始如数家珍，“为便于记忆，我们不妨用‘一二三四五’来概括编程范式之最：最传统的一个是命令式；最基本的两个是命令式和声明式；最核心的三个是命令式、函数式和逻辑式；最主要的四个是命令式、函数式、逻辑式和对象式；最重要的五个是命令式、函数式、逻辑式、对象式和并发式。最后，我们来对比一下五大范式。”

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

 

“说回并发式编程，它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。”

 

，插语

[1] 并发式编程中以进程（process）或线程（thread）为基本单位。尽管它们有很大的差异，但为简明起见，这里不加区分地交替使用两个术语。

[2] 同步（synchronization）只在采用共享内存（shared memory）的并发模型中需要，在采用消息传递（message passing）的并发模型中并不需要。本文主要以前一种并发模型为讨论对象，它也是大多数语言或库（包括C、C++、Java、C#等）所支持的模型。

[3] Erlang是由爱立信开发的一种通用编程语言，支持函数式和并发式，采用消息传递的并发模型。

 

。总结

·         并发式编程以进程为导向、以任务为中心、以资源共享与竞争为主线。

·         并发式编程有助于提高运行效率、充分利用资源、提高软件的响应能力、改善用户体验、保证公平竞争，同时以进程为单位将系统模块化，更加真实地模拟现实世界。

·         合理的并发式设计应该做到：软件易于重用、维护和测试；有效地利用资源，优化程序性能；保障进程安全和活性；减少性能损失和复杂度。

·         对象式和并发式在传统编程的基础上，分别从不同的方向进行拓展：对象式在数据类型上进行推广——允许运算作为数据类型的成员；并发式在执行顺序上进行推广——允许不同运算的执行在时间上交替或者重合。它们与三大核心范式一道，组成了最重要的五大编程范式。

·         五大重要范式对比：

范式	体系	模块	模块关系
过程式	君主体系	过程	授命与听命
函数式	数学体系	函数	替换与合成
逻辑式	逻辑体系	断言	归纳与演绎
对象式	民主体系	对象	交流与服务
并发式	生产体系	进程	竞争与合作

 

“”参考

[1] Abraham Silberschatz，Peter Galvin．Operating System Concepts，5ed.．Reading, MA：Addison-Wesley，1998．155-235

 

 

课后思考

·         在你所掌握的语言当中，有哪些是命令式的？哪些是声明式的？其中，命令式语言里有哪些声明式的特征？声明式的语言里有哪些命令式的特征？它们各自有哪些优点和缺点？

·         你编写的程序符合结构化编程的原则吗？

·         你接触过函数式语言和逻辑式语言吗？如果没有，试着阅读相关的入门书籍，体会它们与过程式迥然不同的风味。（函数式语言推荐Haskell和 Scheme，逻辑式语言推荐Prolog）

·         相比纯过程式的编程语言（如C语言），你认为OOP语言主要有哪些优势？又有哪些劣势？

·         你认为在并发式编程设计中，最重要的是什么？最困难的是什么？