对于软件开发人员而言,调试多线程应用程序中的非确定缺陷是最痛苦的工作。因此,像大多数人一样,我钟爱使用 Erlang 和 Scala 等函数语言进行并发编程。
Scala 和 Erlang 都采用了角色模型来进行并发编程,没有采用线程概念。围绕角色模型的创新并不仅限于语言本身,角色模型也可供 Kilim 等基于 Java 的角色框架使用。
Kilim 对角色模型的使用非常直观,稍后您将看到,该库使构建并发应用程序变得异常简单。
多核挑战
在 2005 年,Herb Sutter 编写了一篇现在仍然颇为著名的文章 “The Free Lunch is Over: A Fundamental Turn Toward Concurrency in Software”。在这篇文章中,他摒弃了一直误导着人们的观念,那就是摩尔定律将继续促进越来越高的 CPU 时钟速率。
Sutter 预言了 “免费午餐” 的终结,通过越来越快的芯片来捎带提升软件应用程序的性能将不再可能。相反,他认为应用程序性能的显著提升将需要利用多核芯片架构来实现。
事实证明他是对的。芯片制造商已经达到了一种硬性限制,芯片速率已稳定在 3.5 GHz 左右多年了。随着制造商越来越快地增加芯片上的核心数量,摩尔定律在多核领域继续得以满足。
Sutter 还提到并发编程将使开发人员能够利用多核架构。但是,他补充道,“相比如今的各种语言提供的编程模型,我们亟需一种更高级的并发编程模型。”
Java 等语言的基本编程模型是基于线程的。尽管多线程应用程序并不是很难编写,但正确 编写它们仍然面临许多挑战。并发编程的一个困难之处是利用线程来考虑并发性。如今已有许多并发模型,一种特别有趣并获得了 Java 社区认可的模型就是角色模型。
角色模型
角色模型是一种不同的并发进程建模方式。与通过共享内存与锁交互的线程不同,角色模型利用了 “角色” 概念,使用邮箱来传递异步消息。在这里,邮箱 类似于实际生活中的邮箱,消息可以存储并供其他角色检索,以便处理。邮箱有效地将各个进程彼此分开,而不用共享内存中的变量。
角色充当着独立且完全不同的实体,不会共享内存来进行通信。实际上,角色仅能通过邮箱通信。角色模型中没有锁和同步块,所以不会出现由它们引发的问题,比如死锁、严重的丢失更新问题。而且,角色能够并发工作,而不是采用某种顺序方式。因此,角色更加安全(不需要锁和同步),角色模型本身能够处理协调问题。在本质上,角色模型使并发编程更加简单了。
角色模型并不是一个新概念,它已经存在很长时间了。一些语言(比如 Erlang 和 Scala)的并发模型就是基于角色的,而不是基于线程。实际上,Erlang 在企业环境中的成功(Erlang 由 Ericsson 创建,在电信领域有着悠久的历史)无疑使角色模型变得更加流行,曝光率更高,而且这也使它成为了其他语言的一种可行的选择。Erlang 是角色模型更安全的并发编程方法的一个杰出示例。
不幸的是,角色模型并没有植入到 Java 平台中,但我们可以通过各种方式使用它。JVM 对替代语言的开放性意味着您可以通过 Java 平台语言(比如 Scala 或 Groovy)来利用角色(参见 参考资料,了解 Groovy 的角色库 GPars)。另外,您可以试用一种支持角色模型且基于 Java 的库,比如 Kilim。
Kilim 中的角色
Kilim 是一个使用 Java 编写的库,融入了角色模型的概念。在 Kilim 中,“角色” 是使用 Kilim 的 Task 类型来表示的。Task 是轻量型的线程,它们通过 Kilim 的 Mailbox 类型与其他 Task 通信。
Mailbox 可以接受任何类型的 “消息”。例如,Mailbox 类型接受 java.lang.Object。Task 可以发送 String 消息或者甚至自定义的消息类型,这完全取决于您自己。
在 Kilim 中,所有实体都通过方法签名捆绑在一起,如果您需要同时执行几项操作,可以在一个方法中指定该行为,扩大该方法的签名以抛出 Pausable。因此,在 Kilim 中创建并发类就像在 Java 中实现 Runnable 或扩展 Thread 一样简单。只是使用 Runnable 或 Thread 的附加实体(比如关键字 synchronized)更少了。
***,Kilim 的魔力是由一个称为 weaver 的后期进程来实现的,该进程转换类的字节码。包含 Pausable throws 字句的方法在运行时由一个调度程序处理,该调度程序包含在 Kilim 库中。该调度程序处理有限数量的内核线程。可以利用此工具来处理更多的轻量型线程,这可以***限度地提高上下文切换和启动的速度。每个线程的堆栈都是自动管理的。
在本质上,Kilim 使创建并发进程变得轻松而简单:只需从 Kilim 的 Task 类型进行扩展并实现 execute 方法。编译新创建的支持并发性的类之后,对其运行 Kilim 的 weaver,您会实现显著的性能提升!
Kilim 最初是一种外来语言,但它带来了巨大的回报。角色模型(以及后来的 Kilim)使编写依赖于类似对象的异步操作对象变得更加简单和安全。您可以 使用 Java 的基本线程模型进行同样的操作(比如扩展 Thread),但这更具挑战性,因为它会将您带回锁和同步的世界中。简而言之,将您的并发编程模型转换为角色使多线程应用程序更容易编码。
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