Paralleelne programmeerimine: Lõimed vs Async – põhjalik globaalne juhend

Tänapäeva suure jõudlusega rakenduste maailmas on paralleelse programmeerimise mõistmine ülioluline. Konkurents võimaldab programmidel täita mitut ülesannet näiliselt samaaegselt, parandades reageerimisvõimet ja üldist tõhusust. See juhend pakub põhjalikku võrdlust kahe levinud lähenemisviisi kohta konkurentsile: lõimed ja async, pakkudes arendajatele globaalselt asjakohaseid teadmisi.

Mis on paralleelne programmeerimine?

Paralleelne programmeerimine on programmeerimisparadigam, kus mitu ülesannet võivad joosta kattuvatel ajavahemikel. See ei tähenda tingimata, et ülesanded jooksevad täpselt samal hetkel (paralleelsus), vaid pigem seda, et nende täitmine on põimitud. Peamine kasu on parem reageerimisvõime ja ressursside kasutamine, eriti sisend- ja väljundpiiranguga või arvutusmahukates rakendustes.

Mõelge restoraniköögile. Mitmed kokad (ülesanded) töötavad samaaegselt – üks valmistab köögivilju, teine grillib liha ja kolmas paneb roogasid kokku. Nad kõik panustavad üldeesmärki – klientide teenindamisse, kuid nad ei pruugi seda teha täiesti sünkroonitult ega järjestikuliselt. See on analoogne paralleelse täitmisega programmis.

Lõimed: klassikaline lähenemine

Definitsioon ja põhialused

Lõimed on kerged protsessid protsessis, mis jagavad sama mäluruumi. Need võimaldavad tõelist paralleelsust, kui aluseks olev riistvara omab mitut töötlemis-tuuma. Igal lõimel on oma virn ja programmilugeja, mis võimaldab koodi iseseisvat täitmist ühises mäluruumis.

Lõimede peamised omadused:

• Ühismälu: Samas protsessis olevad lõimed jagavad sama mäluruumi, võimaldades lihtsat andmete jagamist ja suhtlust.
• Konkurents ja paralleelsus: Lõimed võivad saavutada konkurentsi ja paralleelsuse, kui saadaval on mitu CPU-tuuma.
• Operatsioonisüsteemi haldamine: Lõimede haldamist tegeleb tavaliselt operatsioonisüsteemi ajastaja.

Lõimede kasutamise eelised

• Tõeline paralleelsus: Mitmetuumalistes protsessorites saavad lõimed täita paralleelselt, mis toob kaasa olulise jõudluse suurenemise CPU-ga seotud ülesannete puhul.
• Lihtsustatud programmeerimismudel (mõnel juhul): Teatud probleemide korral võib lõimepõhine lähenemine olla lihtsamini rakendatav kui async.
• Küps tehnoloogia: Lõimed on olnud juba pikka aega, mille tulemuseks on suur hulk teeke, tööriistu ja teadmisi.

Lõimude kasutamise puudused ja väljakutsed

• Keerukus: Ühismälu haldamine võib olla keeruline ja vigu põhjustav, mis toob kaasa võidujooksu tingimused, ummikud ja muud konkurentsiga seotud probleemid.
• Üldkulu: Lõimede loomine ja haldamine võib põhjustada märkimisväärset üldkulu, eriti kui ülesanded on lühiajalised.
• Konteksti vahetamine: Lõimede vahel vahetamine võib olla kallis, eriti kui lõimede arv on suur.
• Silumine: Mitmelõimeliste rakenduste silumine võib olla nende mittemääravuse tõttu äärmiselt keeruline.
• Globaalne tõlkija lukk (GIL): Keeled nagu Python omavad GIL-i, mis piirab tõelist paralleelsust CPU-ga seotud toimingutega. Korraga saab Pythoni tõlkija üle kontrolli omada ainult üks lõim. See mõjutab CPU-ga seotud lõimelisi toiminguid.

Näide: Lõimed Javas

Java pakub sisseehitatud tuge lõimede jaoks klassi Thread ja liidese Runnable kaudu.

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // Kood, mis tuleb lõimes täita
        System.out.println("Lõim " + Thread.currentThread().getId() + " töötab");
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            MyThread thread = new MyThread();
            thread.start(); // Käivitab uue lõime ja kutsub meetodi run()
        }
    }
}

Näide: Lõimed C#

using System;
using System.Threading;

public class Example {
    public static void Main(string[] args)
    {
        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            Thread t = new Thread(new ThreadStart(MyThread));
            t.Start();
        }
    }

    public static void MyThread()
    {
        Console.WriteLine("Lõim " + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + " töötab");
    }
}

Async/Await: kaasaegne lähenemine

Definitsioon ja põhialused

Async/await on keele funktsioon, mis võimaldab kirjutada asünkroonset koodi sünkroonses stiilis. See on peamiselt mõeldud sisend- ja väljundpiiranguga toimingute käsitlemiseks ilma põhilõime blokeerimata, parandades reageerimisvõimet ja skaleeritavust.

Põhikontseptsioonid:

• Asünkroonsed toimingud: Toimingud, mis ei blokeeri praegust lõime, oodates tulemust (nt võrgupäringud, failide sisend/väljund).
• Async funktsioonid: Funktsioonid, mis on märgitud märksõnaga async, võimaldades kasutada märksõna await.
• Await-märksõna: Kasutatakse async-funktsiooni täitmise peatamiseks, kuni asünkroonne toiming on lõpule viidud, ilma lõime blokeerimata.
• Sündmuste tsükkel: Async/await tugineb tavaliselt sündmuste tsüklile, et hallata asünkroonseid toiminguid ja ajastada tagasihelistamisi.

Mitme lõime loomise asemel kasutab async/await ühte lõime (või väikest lõimede komplekti) ja sündmuste tsüklit mitme asünkroonse toimingu käsitlemiseks. Kui async-toiming algatatakse, tagastab funktsioon kohe ja sündmuste tsükkel jälgib toimingu edenemist. Kui toiming on lõpule viidud, jätkab sündmuste tsükkel async-funktsiooni täitmist punktis, kus see peatati.

Async/Await kasutamise eelised

• Parem reageerimisvõime: Async/await takistab põhilõime blokeerimist, mis toob kaasa parema kasutajaliidese ja parema üldise jõudluse.
• Skaleeritavus: Async/await võimaldab teil hallata suurt arvu samaaegseid toiminguid vähemate ressurssidega võrreldes lõimedega.
• Lihtsustatud kood: Async/await muudab asünkroonse koodi lugemise ja kirjutamise lihtsamaks, meenutades sünkroonset koodi.
• Vähendatud üldkulu: Async/awaitil on tavaliselt madalam üldkulu võrreldes lõimedega, eriti sisend- ja väljundpiiranguga toimingute puhul.

Async/Await kasutamise puudused ja väljakutsed

• Ei sobi CPU-ga seotud ülesannete jaoks: Async/await ei paku tõelist paralleelsust CPU-ga seotud ülesannete jaoks. Sellistel juhtudel on lõimed või mitme protsessoriga töötlemine endiselt vajalik.
• Tagasihelistamise põrgu (potentsiaalne): Kuigi async/await lihtsustab asünkroonset koodi, võib vale kasutamine siiski viia pesastatud tagasihelistamiste ja keerulise juhtimisvooluni.
• Silumine: Asünkroonse koodi silumine võib olla keeruline, eriti keeruliste sündmuste tsüklite ja tagasihelistamiste korral.
• Keele tugi: Async/await on suhteliselt uus funktsioon ja ei pruugi olla saadaval kõigis programmeerimiskeeltes või raamistikes.

Näide: Async/Await JavaScriptis

JavaScript pakub async/await funktsionaalsust asünkroonsete toimingute, eriti lubadustega, käsitlemiseks.

async function fetchData(url) {
  try {
    const response = await fetch(url);
    const data = await response.json();
    return data;
  } catch (error) {
    console.error('Andmete hankimise viga:', error);
    throw error;
  }
}

async function main() {
  try {
    const data = await fetchData('https://api.example.com/data');
    console.log('Andmed:', data);
  } catch (error) {
    console.error('Ilmnes viga:', error);
  }
}

main();

Näide: Async/Await Pythonis

Pythoni teek asyncio pakub async/await funktsionaalsust.

import asyncio
import aiohttp

async def fetch_data(url):
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        async with session.get(url) as response:
            return await response.json()

async def main():
    data = await fetch_data('https://api.example.com/data')
    print(f'Andmed: {data}')

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(main())

Lõimed vs Async: üksikasjalik võrdlus

Siin on tabel, mis võtab kokku lõimede ja async/await peamised erinevused:

Funktsioon	Lõimed	Async/Await
Paralleelsus	Saavutab tõelise paralleelsuse mitmetuumalistes protsessorites.	Ei paku tõelist paralleelsust; tugineb konkurentsile.
Kasutusjuhud	Sobib CPU-ga seotud ja sisend- ja väljundpiiranguga ülesannete jaoks.	Sobib peamiselt sisend- ja väljundpiiranguga ülesannete jaoks.
Üldkulu	Suurem üldkulu tänu lõimede loomisele ja haldamisele.	Madalam üldkulu võrreldes lõimedega.
Keerukus	Võib olla keeruline ühismälu ja sünkroonimisprobleemide tõttu.	Üldiselt lihtsam kasutada kui lõimed, kuid võib siiski olla teatud stsenaariumides keeruline.
Reageerimisvõime	Võib blokeerida põhilõime, kui seda ei kasutata ettevaatlikult.	Säilitab reageerimisvõime, mitte põhilõime blokeerimisega.
Ressursside kasutamine	Suurem ressursside kasutamine mitme lõime tõttu.	Väiksem ressursside kasutamine võrreldes lõimedega.
Silumine	Silumine võib olla keeruline mittemäärava käitumise tõttu.	Silumine võib olla keeruline, eriti keeruliste sündmuste tsüklitega.
Skaleeritavus	Skaleeritavust võib piirata lõimede arv.	Skaleerub paremini kui lõimed, eriti sisend- ja väljundpiiranguga toimingute puhul.
Globaalne tõlkija lukk (GIL)	Mõjutatud GIL-ist keeltes nagu Python, piirates tõelist paralleelsust.	Ei ole otseselt GIL-ist mõjutatud, kuna see tugineb pigem konkurentsile kui paralleelsusele.

Õige lähenemisviisi valimine

Valik lõimede ja async/await vahel sõltub teie rakenduse konkreetsetest nõuetest.

• CPU-ga seotud ülesannete puhul, mis nõuavad tõelist paralleelsust, on lõimed üldiselt parem valik. Mõelge mitme protsessoriga töötlemise kasutamisele, mitte mitmelõimelisele töötlemisele keeltes, millel on GIL, näiteks Python, et vältida GIL-i piirangut.
• Sisend- ja väljundpiiranguga ülesannete puhul, mis nõuavad suurt reageerimisvõimet ja skaleeritavust, on async/await sageli eelistatud lähenemisviis. See kehtib eriti rakenduste puhul, millel on suur hulk samaaegseid ühendusi või toiminguid, nagu veebiserverid või võrgukliendid.

Praktilised kaalutlused:

• Keele tugi: Kontrollige kasutatavat keelt ja tagage valitud meetodi tugi. Pythonil, JavaScriptil, Javal, Go-l ja C#-l on mõlemale meetodile hea tugi, kuid ökosüsteemi ja tööriistade kvaliteet mõjutab seda, kui lihtsalt saate oma ülesande täita.
• Meeskonna teadmised: Mõelge oma arendusmeeskonna kogemustele ja oskustele. Kui teie meeskond on lõimedega tuttavam, võib ta selle lähenemisviisi abil olla produktiivsem, isegi kui async/await võib teoreetiliselt olla parem.
• Olemasolev koodibaas: Arvestage kõigi olemasolevate koodibaaside või teekidega, mida kasutate. Kui teie projekt tugineb juba tugevalt lõimede või async/await peale, võib olla lihtsam jääda olemasoleva lähenemisviisi juurde.
• Profileerimine ja võrdlus: Profiilige ja võrrelge alati oma koodi, et määrata, milline lähenemisviis pakub teie konkreetse kasutusjuhtumi jaoks parimat jõudlust. Ärge lootke eeldustele ega teoreetilistele eelistele.

Reaalmaailma näited ja kasutusjuhud

Lõimed

• Pilditöötlus: Mitme pildi keerukate pilditöötlustoimingute teostamine samaaegselt mitme lõime abil. See kasutab mitut CPU-tuuma, et kiirendada töötlemisaega.
• Teaduslikud simulatsioonid: Arvutusmahukate teaduslike simulatsioonide paralleelselt käitamine lõimede abil, et vähendada üldist täitmisaega.
• Mängude arendus: Lõimede kasutamine mängu erinevate aspektide, nagu renderdamine, füüsika ja AI, samaaegseks käsitlemiseks.

Async/Await

• Veebiserverid: Suure hulga samaaegsete kliendipäringute käsitlemine, blokeerimata põhilõime. Näiteks Node.js tugineb tugevalt async/await-ile oma mitteblokeeriva sisend/väljundmudeli jaoks.
• Võrgukliendid: Mitme faili allalaadimine või mitme API-päringu tegemine samaaegselt, blokeerimata kasutajaliidest.
• Töölauarakendused: Pikaajaliste toimingute teostamine taustal, külmutamata kasutajaliidest.
• Asjade interneti (IoT) seadmed: Andmete vastuvõtmine ja töötlemine mitmelt andurilt samaaegselt, blokeerimata peamist rakenduse tsüklit.

Paralleelse programmeerimise parimad tavad

Sõltumata sellest, kas valite lõimed või async/await, on parimate tavade järgimine teie robustse ja tõhusa paralleelse koodi kirjutamisel ülioluline.

Üldised parimad tavad

• Vähendage jagatud olekut: Vähendage jagatud oleku hulka lõimede või asünkroonsete ülesannete vahel, et minimeerida võidujooksu tingimuste ja sünkroonimisprobleemide ohtu.
• Kasutage muutumatuid andmeid: Eelistage võimalusel muutumatuid andmestruktuure, et vältida sünkroonimise vajadust.
• Vältige blokeerivaid toiminguid: Vältige asünkroonsetes ülesannetes blokeerivaid toiminguid, et vältida sündmuste tsükli blokeerimist.
• Käsitlege vigu õigesti: Rakendage korralik veakäsitlus, et vältida käsitlemata erandite tõttu teie rakenduse krahhi.
• Kasutage lõime turvalisi andmestruktuure: Kui jagate andmeid lõimede vahel, kasutage lõime turvalisi andmestruktuure, mis pakuvad sisseehitatud sünkroonimismehhanisme.
• Piirake lõimede arvu: Vältige liiga paljude lõimede loomist, kuna see võib põhjustada liigset konteksti vahetamist ja jõudluse langust.
• Kasutage konkurentsi utiliite: Kasutage oma programmeerimiskeele või raamistiku pakutavaid konkurentsi utiliite, nagu lukud, semaforid ja järjekorrad, et lihtsustada sünkroonimist ja suhtlust.
• Põhjalik testimine: Testige oma paralleelset koodi põhjalikult, et tuvastada ja parandada konkurentsiga seotud vigu. Kasutage selliseid tööriistu nagu lõime sanitaatorid ja võidujooksu detektorid, et aidata potentsiaalseid probleeme tuvastada.

Spetsiifiline lõimede jaoks

• Kasutage lukke ettevaatlikult: Kasutage lukke jagatud ressursside kaitsmiseks samaaegse juurdepääsu eest. Kuid olge ettevaatlik ummikute vältimisel, omandades lukke järjepidevas järjekorras ja vabastades neid nii kiiresti kui võimalik.
• Kasutage aatomitoiminguid: Kasutage aatomitoiminguid alati, kui võimalik, et vältida lukkude vajadust.
• Olge teadlik vale jagamisest: Vale jagamine tekib siis, kui lõimed pääsevad ligi erinevatele andmeüksustele, mis satuvad samale vahemälu reale. See võib põhjustada jõudluse halvenemise vahemälu kehtetuks muutumise tõttu. Vale jagamise vältimiseks täitke andmestruktuurid nii, et iga andmeüksus paikneks eraldi vahemälu reas.

Spetsiifiline Async/Await jaoks

• Vältige pikaajalisi toiminguid: Vältige pikaajaliste toimingute teostamist asünkroonsetes ülesannetes, kuna see võib blokeerida sündmuste tsükli. Kui teil on vaja teha pikaajalist toimingut, suunake see eraldi lõimele või protsessile.
• Kasutage asünkroonseid teeke: Kasutage asünkroonseid teeke ja API-sid alati, kui võimalik, et vältida sündmuste tsükli blokeerimist.
• Aheldage lubadusi õigesti: Aheldage lubadused õigesti, et vältida pesastatud tagasihelistamisi ja keerulist juhtimisvoogu.
• Olge eranditega ettevaatlik: Käsitlege erandeid õigesti asünkroonsetes ülesannetes, et vältida käsitlemata erandite tõttu teie rakenduse krahhi.

Järeldus

Paralleelne programmeerimine on võimas tehnika rakenduste jõudluse ja reageerimisvõime parandamiseks. Kas valite lõimed või async/await, sõltub teie rakenduse konkreetsetest nõuetest. Lõimed pakuvad tõelist paralleelsust CPU-ga seotud ülesannete jaoks, samas kui async/await sobib hästi sisend- ja väljundpiiranguga ülesannete jaoks, mis nõuavad suurt reageerimisvõimet ja skaleeritavust. Mõistes nende kahe lähenemisviisi kompromisse ja järgides parimaid tavasid, saate kirjutada robustse ja tõhusa paralleelse koodi.

Pidage meeles, et arvestage programmeerimiskeelega, millega töötate, oma meeskonna oskustega ning profiilige ja võrrelge alati oma koodi, et teha teadlikke otsuseid paralleelsuse rakendamise kohta. Edukas paralleelne programmeerimine taandub lõpuks parima tööriista valimisele ja selle tõhusale kasutamisele.