Parallel Dasturlash: Potoklar va Asinxronlik – Toʻliq Global Qoʻllanma

Bugungi yuqori unumdorlikdagi ilovalar dunyosida parallel dasturlashni tushunish juda muhim. Parallelizm dasturlarga bir nechta vazifalarni bir vaqtning o'zida bajarishga imkon beradi, bu esa javob berish tezligini va umumiy samaradorlikni oshiradi. Ushbu qo'llanma parallelizmning ikki keng tarqalgan yondashuvi: potoklar va asinxronlikni har tomonlama taqqoslab, butun dunyo dasturchilari uchun dolzarb bo'lgan tushunchalarni taqdim etadi.

Parallel Dasturlash Nima?

Parallel dasturlash - bu bir nechta vazifalar bir-birini qoplaydigan vaqt oralig'ida ishlashi mumkin bo'lgan dasturlash paradigmasidir. Bu vazifalar aynan bir vaqtda (parallellik) ishlashini anglatmaydi, balki ularning bajarilishi navbatma-navbat amalga oshirilishini bildiradi. Asosiy afzalligi, ayniqsa kiritish/chiqarish (I/O) bilan bog'liq yoki hisoblash talab qiladigan ilovalarda javob berish tezligi va resurslardan foydalanishni yaxshilashdir.

Restoran oshxonasini tasavvur qiling. Bir nechta oshpaz (vazifalar) bir vaqtning o'zida ishlamoqda – biri sabzavotlarni to'g'raydi, boshqasi go'sht qovuradi, yana biri esa taomlarni yig'adi. Ularning barchasi mijozlarga xizmat ko'rsatish umumiy maqsadiga hissa qo'shmoqda, lekin ular buni mukammal sinxronlashtirilgan yoki ketma-ket tarzda qilmayapti. Bu dastur ichidagi parallel bajarilishga o'xshaydi.

Potoklar: Klassik Yondashuv

Ta'rif va Asoslar

Potoklar - bu bir xil xotira maydonini bo'lishadigan jarayon ichidagi yengil jarayonlardir. Agar asosiy uskunada bir nechta protsessor yadrolari mavjud bo'lsa, ular haqiqiy parallellikni ta'minlaydi. Har bir potok o'z stekiga va dastur hisoblagichiga ega bo'lib, umumiy xotira maydonida kodni mustaqil bajarish imkonini beradi.

Potoklarning Asosiy Xususiyatlari:

• Umumiy Xotira: Bir xil jarayondagi potoklar bir xil xotira maydonini bo'lishadi, bu esa ma'lumotlarni oson almashish va aloqa qilish imkonini beradi.
• Parallelizm va Bir vaqtda ishlash: Agar bir nechta CPU yadrolari mavjud bo'lsa, potoklar parallelizm va bir vaqtda ishlashga erisha oladi.
• Operatsion Tizim Boshqaruvi: Potoklarni boshqarish odatda operatsion tizimning rejalashtiruvchisi tomonidan amalga oshiriladi.

Potoklardan Foydalanishning Afzalliklari

• Haqiqiy Parallellik: Ko'p yadroli protsessorlarda potoklar parallel ravishda bajarilishi mumkin, bu esa CPU bilan bog'liq vazifalar uchun sezilarli unumdorlik o'sishiga olib keladi.
• Soddalashtirilgan Dasturlash Modeli (ba'zi hollarda): Ba'zi muammolar uchun potoklarga asoslangan yondashuvni amalga oshirish asinxron yondashuvga qaraganda soddaroq bo'lishi mumkin.
• Yetuk Texnologiya: Potoklar uzoq vaqtdan beri mavjud bo'lib, bu ko'plab kutubxonalar, vositalar va tajribalarning paydo bo'lishiga olib kelgan.

Potoklardan Foydalanishning Kamchiliklari va Qiyinchiliklari

• Murakkablik: Umumiy xotirani boshqarish murakkab va xatolarga moyil bo'lishi mumkin, bu esa poyga holatlari (race conditions), boshi berk ko'chalar (deadlocks) va boshqa parallelizm bilan bog'liq muammolarga olib keladi.
• Qo'shimcha Yuklama: Potoklarni yaratish va boshqarish sezilarli qo'shimcha yuklamani keltirib chiqarishi mumkin, ayniqsa vazifalar qisqa muddatli bo'lsa.
• Kontekstni O'zgartirish: Potoklar o'rtasida kontekstni o'zgartirish qimmatga tushishi mumkin, ayniqsa potoklar soni ko'p bo'lganda.
• Nosozliklarni Tuzatish (Debugging): Ko'p potokli ilovalardagi nosozliklarni tuzatish ularning deterministik bo'lmagan tabiati tufayli juda qiyin bo'lishi mumkin.
• Global Interpreter Lock (GIL): Python kabi tillarda CPU bilan bog'liq operatsiyalar uchun haqiqiy parallellikni cheklaydigan GIL mavjud. Bir vaqtning o'zida faqat bitta potok Python interpretatorini boshqarishi mumkin. Bu CPU bilan bog'liq potokli operatsiyalarga ta'sir qiladi.

Misol: Java'da Potoklar

Java Thread sinfi va Runnable interfeysi orqali potoklar uchun o'rnatilgan qo'llab-quvvatlashni ta'minlaydi.

            
public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // Potokda bajariladigan kod
        System.out.println("Potok " + Thread.currentThread().getId() + " ishlamoqda");
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            MyThread thread = new MyThread();
            thread.start(); // Yangi potokni ishga tushiradi va run() metodini chaqiradi
        }
    }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Misol: C# da Potoklar

            
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("Potok " + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + " ishlamoqda");
    }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Async/Await: Zamonaviy Yondashuv

Ta'rif va Asoslar

Async/await - bu asinxron kodni sinxron uslubda yozish imkonini beradigan til xususiyatidir. U asosan asosiy potokni bloklamasdan kiritish/chiqarish (I/O) bilan bog'liq operatsiyalarni bajarish uchun mo'ljallangan bo'lib, javob berish tezligi va kengayuvchanlikni yaxshilaydi.

Asosiy Tushunchalar:

• Asinxron Operatsiyalar: Natijani kutish paytida joriy potokni bloklamaydigan operatsiyalar (masalan, tarmoq so'rovlari, fayllar bilan ishlash).
• Asinxron Funksiyalar: async kalit so'zi bilan belgilangan funksiyalar, bu await kalit so'zidan foydalanish imkonini beradi.
• Await Kalit So'zi: Asinxron operatsiya tugamaguncha, potokni bloklamasdan, asinxron funksiya ijrosini to'xtatib turish uchun ishlatiladi.
• Hodisalar Tsikli (Event Loop): Async/await odatda asinxron operatsiyalarni boshqarish va qayta chaqiruvlarni (callbacks) rejalashtirish uchun hodisalar tsikliga tayanadi.

Ko'p potoklar yaratish o'rniga, async/await bitta potokdan (yoki kichik potoklar hovuzidan) va bir nechta asinxron operatsiyalarni bajarish uchun hodisalar tsiklidan foydalanadi. Asinxron operatsiya boshlanganda, funksiya darhol qaytadi va hodisalar tsikli operatsiyaning borishini kuzatib boradi. Operatsiya tugagach, hodisalar tsikli asinxron funksiyaning ijrosini to'xtatilgan joyidan davom ettiradi.

Async/Await'dan Foydalanishning Afzalliklari

• Yaxshilangan Javob Berish Tezligi: Async/await asosiy potokni bloklashni oldini oladi, bu esa foydalanuvchi interfeysining tezroq javob berishiga va umumiy unumdorlikning yaxshilanishiga olib keladi.
• Kengayuvchanlik: Async/await potoklarga qaraganda kamroq resurslar bilan ko'p sonli parallel operatsiyalarni bajarishga imkon beradi.
• Soddalashtirilgan Kod: Async/await asinxron kodni o'qish va yozishni osonlashtiradi, sinxron kodga o'xshatadi.
• Kamaytirilgan Qo'shimcha Yuklama: Async/await odatda potoklarga qaraganda kamroq qo'shimcha yuklamaga ega, ayniqsa kiritish/chiqarish bilan bog'liq operatsiyalar uchun.

Async/Await'dan Foydalanishning Kamchiliklari va Qiyinchiliklari

• CPU Bilan Bog'liq Vazifalar Uchun Mos Emas: Async/await CPU bilan bog'liq vazifalar uchun haqiqiy parallellikni ta'minlamaydi. Bunday hollarda, potoklar yoki ko'p jarayonlilik hali ham zarur.
• Callback Jahannami (Potentsial): Async/await asinxron kodni soddalashtirsa-da, noto'g'ri foydalanish hali ham ichki qayta chaqiruvlar va murakkab boshqaruv oqimiga olib kelishi mumkin.
• Nosozliklarni Tuzatish: Asinxron kodda nosozliklarni tuzatish qiyin bo'lishi mumkin, ayniqsa murakkab hodisalar tsikllari va qayta chaqiruvlar bilan ishlaganda.
• Til Qo'llab-quvvatlashi: Async/await nisbatan yangi xususiyat bo'lib, barcha dasturlash tillari yoki freymvorklarida mavjud bo'lmasligi mumkin.

Misol: JavaScript'da Async/Await

JavaScript asinxron operatsiyalarni, ayniqsa Promise'lar bilan ishlash uchun async/await funksionalligini taqdim etadi.

            
async function fetchData(url) {
  try {
    const response = await fetch(url);
    const data = await response.json();
    return data;
  } catch (error) {
    console.error('Ma'lumotlarni olishda xatolik:', error);
    throw error;
  }
}

async function main() {
  try {
    const data = await fetchData('https://api.example.com/data');
    console.log('Ma'lumotlar:', data);
  } catch (error) {
    console.error('Xatolik yuz berdi:', error);
  }
}

main();

            

              
                Copy
              
            
          

Misol: Python'da Async/Await

Python'ning asyncio kutubxonasi async/await funksionalligini ta'minlaydi.

            
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'Ma'lumotlar: {data}')

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

            

              
                Copy
              
            
          

Potoklar va Asinxronlik: Batafsil Taqqoslash

Bu yerda potoklar va async/await o'rtasidagi asosiy farqlarni umumlashtiruvchi jadval keltirilgan:

To'g'ri Yondashuvni Tanlash

Potoklar va async/await o'rtasidagi tanlov ilovangizning o'ziga xos talablariga bog'liq.

• Haqiqiy parallellikni talab qiladigan CPU bilan bog'liq vazifalar uchun odatda potoklar yaxshiroq tanlovdir. GIL cheklovini chetlab o'tish uchun Python kabi GILga ega tillarda ko'p potoklilik o'rniga ko'p jarayonlilikdan foydalanishni o'ylab ko'ring.
• Yuqori javob berish tezligi va kengayuvchanlikni talab qiladigan I/O bilan bog'liq vazifalar uchun ko'pincha async/await afzalroq yondashuvdir. Bu, ayniqsa, veb-serverlar yoki tarmoq klientlari kabi ko'p sonli parallel ulanishlar yoki operatsiyalarga ega ilovalar uchun to'g'ri keladi.

Amaliy Mulohazalar:

• Til Qo'llab-quvvatlashi: Siz foydalanayotgan tilni tekshiring va tanlagan usulingizni qo'llab-quvvatlashiga ishonch hosil qiling. Python, JavaScript, Java, Go va C# tillarining barchasi ikkala usulni ham yaxshi qo'llab-quvvatlaydi, ammo har bir yondashuv uchun ekotizim va vositalar sifati vazifangizni qanchalik oson bajarishingizga ta'sir qiladi.
• Jamoa Tajribasi: Rivojlantirish jamoangizning tajribasi va mahoratini hisobga oling. Agar jamoangiz potoklar bilan ko'proq tanish bo'lsa, nazariy jihatdan async/await yaxshiroq bo'lishi mumkin bo'lsa ham, ular ushbu yondashuvdan foydalanib samaraliroq ishlashlari mumkin.
• Mavjud Kod Bazasi: Siz foydalanayotgan mavjud kod bazasi yoki kutubxonalarni hisobga oling. Agar loyihangiz allaqachon potoklar yoki async/awaitga ko'p tayansa, mavjud yondashuvga sodiq qolish osonroq bo'lishi mumkin.
• Profilaktika va Benchmarking: O'zingizning aniq holatingiz uchun qaysi yondashuv eng yaxshi unumdorlikni ta'minlashini aniqlash uchun har doim kodingizni profilaktika qiling va benchmark o'tkazing. Taxminlar yoki nazariy afzalliklarga tayanmang.

Haqiqiy Dunyo Misollari va Qo'llash Sohalari

Potoklar

• Tasvirga Ishlov Berish: Bir nechta tasvirlarda bir vaqtning o'zida bir nechta potoklar yordamida murakkab tasvirga ishlov berish operatsiyalarini bajarish. Bu ishlov berish vaqtini tezlashtirish uchun bir nechta CPU yadrolaridan foydalanadi.
• Ilmiy Simulyatsiyalar: Umumiy bajarilish vaqtini qisqartirish uchun hisoblash talab qiladigan ilmiy simulyatsiyalarni parallel ravishda potoklar yordamida ishga tushirish.
• O'yinlarni Rivojlantirish: Renderlash, fizika va sun'iy intellekt kabi o'yinning turli jihatlarini bir vaqtning o'zida bajarish uchun potoklardan foydalanish.

Async/Await

• Veb-Serverlar: Asosiy potokni bloklamasdan ko'p sonli bir vaqtda keladigan mijoz so'rovlarini qayta ishlash. Masalan, Node.js o'zining bloklanmaydigan I/O modeli uchun asosan async/awaitga tayanadi.
• Tarmoq Klientlari: Foydalanuvchi interfeysini bloklamasdan bir vaqtning o'zida bir nechta fayllarni yuklab olish yoki bir nechta API so'rovlarini yuborish.
• Desktop Ilovalari: Foydalanuvchi interfeysini muzlatmasdan fonda uzoq davom etadigan operatsiyalarni bajarish.
• IoT Qurilmalari: Asosiy ilova tsiklini bloklamasdan bir vaqtning o'zida bir nechta sensorlardan ma'lumotlarni qabul qilish va qayta ishlash.

Parallel Dasturlash Uchun Eng Yaxshi Amaliyotlar

Siz potoklar yoki async/awaitni tanlaysizmi, mustahkam va samarali parallel kod yozish uchun eng yaxshi amaliyotlarga rioya qilish juda muhimdir.

Umumiy Eng Yaxshi Amaliyotlar

• Umumiy Holatni Kamaytiring: Poyga holatlari va sinxronizatsiya muammolari xavfini kamaytirish uchun potoklar yoki asinxron vazifalar o'rtasidagi umumiy holat miqdorini kamaytiring.
• O'zgarmas Ma'lumotlardan Foydalaning: Sinxronizatsiya zaruratini oldini olish uchun iloji boricha o'zgarmas ma'lumotlar tuzilmalarini afzal ko'ring.
• Bloklovchi Operatsiyalardan Saqlaning: Hodisalar tsiklini bloklashni oldini olish uchun asinxron vazifalarda bloklovchi operatsiyalardan saqlaning.
• Xatolarni To'g'ri Ishlang: Ilovangizning ishdan chiqishiga olib keladigan qayta ishlanmagan istisnolarning oldini olish uchun to'g'ri xatolarni qayta ishlashni amalga oshiring.
• Potok-Xavfsiz Ma'lumotlar Tuzilmalaridan Foydalaning: Potoklar o'rtasida ma'lumot almashishda, o'rnatilgan sinxronizatsiya mexanizmlarini ta'minlaydigan potok-xavfsiz ma'lumotlar tuzilmalaridan foydalaning.
• Potoklar Sonini Cheklang: Juda ko'p potoklar yaratishdan saqlaning, chunki bu ortiqcha kontekstni almashtirishga va unumdorlikning pasayishiga olib kelishi mumkin.
• Parallelizm Yordamchi Dasturlaridan Foydalaning: Sinxronizatsiya va aloqani soddalashtirish uchun dasturlash tilingiz yoki freymvorkingiz tomonidan taqdim etilgan qulflar, semaforlar va navbatlar kabi parallelizm yordamchi dasturlaridan foydalaning.
• Puxta Sinovdan O'tkazish: Parallelizm bilan bog'liq xatoliklarni aniqlash va tuzatish uchun parallel kodingizni puxta sinovdan o'tkazing. Potentsial muammolarni aniqlashga yordam berish uchun potok sanitayzerlari va poyga detektorlari kabi vositalardan foydalaning.

Potoklarga Xos

• Qulflardan Ehtiyotkorlik bilan Foydalaning: Umumiy resurslarni parallel kirishdan himoya qilish uchun qulflardan foydalaning. Biroq, qulflarni izchil tartibda olish va iloji boricha tezroq bo'shatish orqali boshi berk ko'chalardan saqlanishga ehtiyot bo'ling.
• Atomar Operatsiyalardan Foydalaning: Qulflarga bo'lgan ehtiyojni oldini olish uchun iloji boricha atomar operatsiyalardan foydalaning.
• Yolg'on Almashinuvdan (False Sharing) Xabardor Bo'ling: Yolg'on almashinuv potoklar bir xil kesh qatorida joylashgan turli xil ma'lumotlar elementlariga kirganda sodir bo'ladi. Bu keshning bekor qilinishi tufayli unumdorlikning pasayishiga olib kelishi mumkin. Yolg'on almashinuvni oldini olish uchun, har bir ma'lumot elementi alohida kesh qatorida joylashishini ta'minlash uchun ma'lumotlar tuzilmalarini to'ldiring.

Async/Await'ga Xos

• Uzoq Davom Etadigan Operatsiyalardan Saqlaning: Asinxron vazifalarda uzoq davom etadigan operatsiyalarni bajarishdan saqlaning, chunki bu hodisalar tsiklini bloklashi mumkin. Agar uzoq davom etadigan operatsiyani bajarish kerak bo'lsa, uni alohida potok yoki jarayonga o'tkazing.
• Asinxron Kutubxonalardan Foydalaning: Hodisalar tsiklini bloklashni oldini olish uchun iloji boricha asinxron kutubxonalar va API'lardan foydalaning.
• Promise'larni To'g'ri Zanjirlang: Ichki qayta chaqiruvlar va murakkab boshqaruv oqimini oldini olish uchun promise'larni to'g'ri zanjirlang.
• Istisnolar Bilan Ehtiyot Bo'ling: Ilovangizning ishdan chiqishiga olib keladigan qayta ishlanmagan istisnolarning oldini olish uchun asinxron vazifalarda istisnolarni to'g'ri ishlang.

Xulosa

Parallel dasturlash ilovalarning unumdorligi va javob berish tezligini oshirish uchun kuchli usuldir. Siz potoklar yoki async/awaitni tanlaysizmi, bu ilovangizning o'ziga xos talablariga bog'liq. Potoklar CPU bilan bog'liq vazifalar uchun haqiqiy parallellikni ta'minlaydi, async/await esa yuqori javob berish tezligi va kengayuvchanlikni talab qiladigan I/O bilan bog'liq vazifalar uchun juda mos keladi. Ushbu ikki yondashuv o'rtasidagi farqlarni tushunib va eng yaxshi amaliyotlarga rioya qilib, siz mustahkam va samarali parallel kod yozishingiz mumkin.

Ishlayotgan dasturlash tilingizni, jamoangizning mahoratini hisobga olishni unutmang va parallelizmni amalga oshirish bo'yicha ongli qarorlar qabul qilish uchun har doim kodingizni profilaktika qiling va benchmark o'tkazing. Muvaffaqiyatli parallel dasturlash oxir-oqibat ish uchun eng yaxshi vositani tanlashga va undan samarali foydalanishga bog'liq.