編程范式巡禮第二季 并發(fā)那些事

繼續(xù)上周的編程范式話題弃舒，今天想聊一下并發(fā)范式癞埠。

并發(fā)也算一種范式?

真正的并發(fā)式編程状原，絕不只是調(diào)用線程API或使用synchronized、lock之類的關(guān)鍵字那么簡單苗踪。從宏觀的架構(gòu)設(shè)計颠区，到微觀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、流程控制乃至算法通铲，相比通常的串行式編程都可能發(fā)生變化毕莱。毫不夸張的說，是又一場思想和技術(shù)上革命颅夺。

在日常開發(fā)中朋截，并發(fā)編程難度是比較高的，屬于高級程序員才能掌握的內(nèi)容吧黄。其難點在哪里部服，我們?nèi)粘Ａ?xí)慣的是線性思維，這與并發(fā)編程的多維世界觀是不同的拗慨，提升思考的維度無疑是艱難廓八。但還好，在大神們的努力下胆描，已逐漸化繁為簡瘫想，這也是并發(fā)范式帶來的力量。在并發(fā)領(lǐng)域有許多的模型昌讲，讓我們來巡禮一下国夜。

模型1：線程與鎖

并發(fā)編程以資源共享和競爭為主線。這意味著程序設(shè)計將圍繞進(jìn)程的劃分與調(diào)度短绸、進(jìn)程之間的通信與同步等來展開车吹。合理的并發(fā)式設(shè)計需要諸多方面的權(quán)衡考量。

線程是對底層硬件過程的形式化醋闭，是并發(fā)編程的核心窄驹。不同的線程各自獨立運行，有如一個個的平行宇宙证逻。但是乐埠，并發(fā)編程并不僅僅串行化編程的疊加，主要的差異在于囚企，線程之間存在共享和競爭丈咐。共享資源會帶來哪些問題呢？

• 問題1：臟讀

當(dāng)線程1對共享數(shù)據(jù)進(jìn)行修改時龙宏，線程2有可能會讀到處于中間狀態(tài)的數(shù)據(jù)棵逊，這個問題稱之為臟讀。

并發(fā)1

解決的思路比較簡單银酗，就是讓線程1僅提交最終修改結(jié)果辆影，在修改過程中產(chǎn)生并使用快照數(shù)據(jù)徒像。這種類似影分身的技術(shù)稱之為MVCC(Multi-Version Concurrency Control)。

并發(fā)2

• 問題2：丟失更新

當(dāng)線程1對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改時蛙讥，如果線程2同時修改锯蛀，由于采用了MVCC，雙方各自無法看到键菱，那最終提交時谬墙，很可能會造成其中一個線程結(jié)果與預(yù)期不一致今布，這個問題稱為丟失更新经备。
其解決方法是加鎖，在修改前進(jìn)行加鎖部默，一旦占用侵蒙，則第二個線程無法獲取。

并發(fā)3

臟讀和丟失更新是需要同時考慮的傅蹂，所以標(biāo)準(zhǔn)的多線程處理是同時使用到了MVCC和鎖這兩個技術(shù)纷闺。

并發(fā)4

• 問題3：幻讀

在已解決了丟失更新和臟讀的情況下，下面要考慮多次讀取的情況份蝴。如下圖所示犁功，線程1對數(shù)據(jù)集進(jìn)行了多次讀取，但是部分?jǐn)?shù)據(jù)在線程2中進(jìn)行了更新婚夫，這時候出現(xiàn)了線程1在沒有任何作為的情況下浸卦，兩次讀取不一致的情況！０覆凇限嫌！這個問題稱為幻讀。

并發(fā)5

解決幻讀的方法是擴(kuò)大數(shù)據(jù)的鎖范圍时捌，不僅僅是更改過的記錄怒医，所有讀取的記錄都要加鎖。

并發(fā)6

• 綜述

這就是目前我們最主流的并發(fā)與鎖的實現(xiàn)思路方法奢讨，有非常廣泛的使用稚叹。不知道大家讀完這段的感覺怎么，我看的時候拿诸，第一個感覺是復(fù)雜扒袖，真的非常的燒腦，由于大量概念的堆積對于初學(xué)者來說非常不友好佳镜；第二個感覺是矛盾僚稿，按照最終幻讀的解決方案，實際上就是放棄了程序間的并行蟀伸，繞了一圈蚀同，又回到了原點缅刽。正因為如此，目前主流的數(shù)據(jù)庫蠢络，實際上默認(rèn)都是放棄對于幻讀問題解決的衰猛，這也是開發(fā)上的一大坑。

綜合的來看刹孔，這種解決方式學(xué)習(xí)成本很高啡省，而且還沒能解決全部的問題，并不能讓人滿意髓霞。有沒有更好點的方法卦睹，讓我們繼續(xù)。

模型2：函數(shù)式編程與Lambda架構(gòu)

傳統(tǒng)并發(fā)模型中方库，最令人糾結(jié)的無疑就是共享數(shù)據(jù)訪問這塊了结序。若不爽，就另辟蹊徑纵潦。我們能不能不對共享數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入呢?有什么樣的程序是只讀不寫的呢徐鹤，大神們已經(jīng)找到了答案，就是上周介紹的函數(shù)式編程邀层。

首先想說明的事返敬，純函數(shù)式的編程功能上并不完備，有非常多的缺陷寥院，但其有一個天然的適用場景劲赠，就是數(shù)學(xué)運算分析，也就是我們現(xiàn)在時常掛在嘴邊的大數(shù)據(jù)計算只磷。
由于拋棄掉了共享狀態(tài)经磅，其代碼的健壯性和擴(kuò)展性得到了大大的增強(qiáng)，只要有足夠的計算資源就可以處理無限大的數(shù)據(jù)钮追。

函數(shù)式編程思維比較數(shù)學(xué)化预厌，難度是比較高的，在此基礎(chǔ)上元媚，誕生了Lambda框架轧叽，是對應(yīng)用模式的固化，有助于降低學(xué)習(xí)成本和大范圍推廣刊棕。Lambda框架既使用了可以進(jìn)行大規(guī)模批處理的MapReduce技術(shù)炭晒，也使用了可以快速處理數(shù)據(jù)并及時反饋的流處理技術(shù)，這樣的混搭能夠為大數(shù)據(jù)問題提供擴(kuò)展性甥角、響應(yīng)性和容錯性都能優(yōu)秀的解決方案网严。

Lambda架構(gòu)也可以這樣來描述：在該架構(gòu)中，被讀取的數(shù)據(jù)是不可變的嗤无，在并行處理過程中數(shù)據(jù)會依次進(jìn)入批處理系統(tǒng)（batch system）與流處理系統(tǒng)震束。從邏輯上看怜庸，傳輸過程發(fā)生了兩次，一次是在批處理中垢村，一次是在流處理中割疾。在查詢時，當(dāng)這兩者都返回結(jié)果后嘉栓，才算是完成一次完整的查詢宏榕。

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模型3：Actor

函數(shù)式編程模型的應(yīng)用使得并發(fā)編程的應(yīng)用踏入了工業(yè)級，帶動了大數(shù)據(jù)的熱潮侵佃。但是其解決思路是拋棄了可變狀態(tài)麻昼，服務(wù)是有損的。對于必須提供無損服務(wù)的場景該如何進(jìn)行改進(jìn)呢趣钱。

從最一開始線程與鎖的模型中涌献，我們可以看到串行化是最重的解決方案，但是為了串行化首有，我們需要MVCC、鎖等一系列的工具枢劝，比較復(fù)雜井联，Actor模型就是用來簡化此類操作的。

Actor模型中抽象出了兩個概念A(yù)ctor和Mailbox您旁，Actor就是指代共享數(shù)據(jù)烙常，Mailbox管理數(shù)據(jù)的操作。對于每個Actor的操作鹤盒，要通過mailbox來進(jìn)行蚕脏，在mailbox端實現(xiàn)了隊列的控制，從而實現(xiàn)了序列化的效果侦锯。

AkkaComponentMatching

Actor模型會帶來一些額外的好處：

1. 用Actor來定義共享數(shù)據(jù)驼鞭，邊界非常清晰，實現(xiàn)了與主線代碼的解耦尺碰，最大化減少了序列化的影響挣棕，可以有效提升性能。
2. Actor中引入了消息的概念亲桥，是位置透明的洛心，天然支持了分布式的部署。
3. 在概念清晰之后题篷，代碼得到了簡化词身，下面摘錄一段Actor的代碼，可以看到是封裝了并發(fā)相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)番枚，非常的簡潔法严。

class Pong extends Actor {
  def act() {
    var pongCount = 0
    while (true) {
      receive {
        case Ping =>
          if (pongCount % 1000 == 0)
            Console.println("Pong: ping " + pongCount)
          sender ! Pong
          pongCount = pongCount + 1
        case Stop =>
          Console.println("Pong: stop")
          exit()
      }
    }
  }
}

模型4：原子變量

很多情況下我們需要一個高效的璧瞬、線程安全的并發(fā)解決方案。高效意味著耗用資源要少渐夸，程序處理速度要快嗤锉；線程安全也非常重要，這個在多線程下能保證數(shù)據(jù)的正確性墓塌。有一個解決方案是原子變量瘟忱。

通常情況下，在Java里面苫幢，++i或者--i不是線程安全的访诱，這里面有三個獨立的操作：獲得變量當(dāng)前值，為該值+1/-1韩肝，然后寫回新的值触菜。在沒有額外資源可以利用的情況下，只能使用加鎖才能保證讀-改-寫這三個操作是“原子性”的哀峻。

下面是示例代碼：

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

在這里采用了CAS操作涡相，每次從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)然后將此數(shù)據(jù)和+1后的結(jié)果進(jìn)行CAS操作，如果成功就返回結(jié)果剩蟀，否則重試直到成功為止催蝗。而compareAndSet利用JNI來完成CPU指令的操作。

原子變量在一些對性能有極端要求的系統(tǒng)中(比如Jetty育特、Tomcat)有非常廣泛的應(yīng)用丙号，是一種精益求精的體現(xiàn)，其在可靠性和性能方面表現(xiàn)很突出缰冤，但在易用性方面比較偏計算機(jī)思維犬缨，理解難度較大，并不夠簡潔棉浸，需要反復(fù)練習(xí)才能掌握怀薛。

小結(jié)

在今天的篇文章中，列舉了并發(fā)范式的四個主流模型：線程與鎖涮拗、函數(shù)式編程乾戏、Actor、原子變量三热」脑瘢可以看到，每個模型都是在功能就漾、性能和易用之間尋求了一種平衡呐能，并沒有一種模型在功能、性能和易用三方面同時達(dá)到最優(yōu)，也就是說沒有銀彈摆出。
這是我們面對并發(fā)問題時的困境朗徊，也是挑戰(zhàn)，也正說明了并發(fā)并不是一個簡單的線性問題偎漫，我們需要針對具體場景爷恳、具體問題進(jìn)行分析，尋找最適合的解決方法象踊，這也是開發(fā)人員需要養(yǎng)成的一種重要素養(yǎng)温亲。