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併發不是並行,它更好!

原文連結譯文連結,譯者:雷哥,饒命,校對:李任

現代社會是並行的:多核、網路、雲端計算、使用者負載,併發技術對此有用。

Go語言支援併發,它提供了:併發執行(goroutines),同步和訊息(channels)和多路併發控制(select)。
當Go聲稱是併發時,人們說:“併發很酷!耶,我可以並行運行了!”,但這是個錯誤的。因為很多人都不瞭解他們間的差別。“我用四個處理器來做質數篩選,但是更慢了。”

併發(Concurrency):以可獨立執行的程序集合的方式程式設計(程序是出了名的難定義,這裡是通常意義上的程序,不是Linux程序)

並行(Parallelism):以可同時執行的(可能相關的)計算指令方式程式設計。

兩者的區別:併發是同時處理(dealing)很多的事情,並行是同時做(doing)很多的事情。不同,但也相關。一個是關於程式碼結構,一個是關於程式碼執行。併發為可能的(不是必須的)並行問題提供了一種解決方案。

一個類比:
滑鼠、鍵盤、顯示器、磁碟驅動是併發結構的。
向量點積是並行的。

併發帶有通訊:
併發是一種構造程式的方式,把任務分解為一個個獨立執行的小任務。通訊是協調這些小任務的手段。

Go的模型(還有Erlang等)都是基於CPS(Communicating sequential processes, 通訊順序程序):其論文C. A. R. Hoare: Communicating Sequential Processes (CACM 1978)

以上講得太抽象了,我們舉實際點的例子。
我們的問題:把一堆廢棄語言的說明書運到火爐裡,一隻地鼠會花費很長時間。

更多的地鼠

單單更多的地鼠也不解決問題,它們需要更多的推車。

更多的地鼠、更多的推車

這樣會加快速度,但它們會在那堆書和爐子那邊遇上瓶頸。同時也要同步兩隻地鼠,可以通過訊息的方式實現。

全部加倍

這樣會以兩倍的速度運送。這是兩個地鼠程式的併發構成(concurrent composition)。

但這種設計不是自發並行的,如果一次只有一隻地鼠在運會怎樣?
這種設計仍是併發,不是並行。[譯者注:一隻地鼠運一次上面那堆書,然後第二隻地鼠再運一次下面那堆書。一次只允許一隻地鼠運送,這樣就不是並行的。]

然而,這種場景是可以自發並行的。併發構成可以考慮下其他模型。

另一種設計

三隻地鼠在工作,但可能會有延誤。每隻地鼠是個獨立的步驟,附加協調(通訊)。

更細粒度的併發

增加一隻地鼠用來運回空推車。四隻地鼠在工作,執行得更加流暢,每隻地鼠都在做一個簡單的任務。

如果我們把事情安排的足夠好(現實中很難但不是不可能),速度會是最先只有一隻地鼠的那個設計的四倍。

觀察結論:我們在一個已有的設計(指三個地鼠的那個設計)中新增一個併發的步驟(第四隻地鼠)增強了系統的效能。更多的地鼠幹了更多的活,系統執行得更好。併發比簡單的並行對問題要有更深的洞察。

我們有四個併發的步驟:1.裝書到推車上2.把推車運到火爐邊3.把書卸到火爐裡4.運回空推車

不同的併發設計能以不同的方式來並行。

更多的並行

我們以另一個維度來並行,並行使這樣的設計變的容易。八隻地鼠,都在繁忙工作。

但也可能根本沒有並行

謹記:即使一次只能有一隻地鼠在工作(零並行),這也不失為一個良好的併發的解決方案。

另一種設計

下面也是一種用併發組成來解決問題的設計。兩隻地鼠,再加上一個中轉堆。

以一般的方式來並行

用更多的併發程式來提高吞吐量

或者一種不同的方式

在多地鼠併發模型中引入中轉堆

全面優化

使用我們所有的技術,16只地鼠都開足馬力。

學到內容

我們有很多方法把問題分解,這才是併發設計。一旦我們分解了問題,並行就自然而然的產生了,正確性也變得很容易。

回到計算

我們關於運書的問題,可以看做是如下的類比:書堆是Web資料,地鼠是CPU,推車是排程、渲染或是網路,火堆是代理、瀏覽器或是其他的消費者。地鼠提供網路資料,這就是一個可擴充套件的Web服務的併發設計了。