Clojure軟體事務儲存器

Clojure · 發表 2018-09-15 15:05:00

摘要：多核或多CPU使得併發的要求更加迫切，傳統使用鎖來管理併發，遺憾的是已被證明不太理想，因為它們經常導致死鎖、飢餓、競爭和容易出錯。在這篇文章中，我們將探討如何利用Clojure的軟體事務儲存器（STM）來更好地利用現代硬體。 Clojure的方式併發難題的核心是狀態問...

多核或多CPU使得併發的要求更加迫切，傳統使用鎖來管理併發，遺憾的是已被證明不太理想，因為它們經常導致死鎖、飢餓、競爭和容易出錯。在這篇文章中，我們將探討如何利用Clojure的軟體事務儲存器（STM）來更好地利用現代硬體。

Clojure的方式

併發難題的核心是狀態問題，實質上，大多數程式語言都會使用多執行緒共享資料更新的方式管理狀態。

Clojure提供不可變資料結構和語言級語義來解決這個狀態的併發更新問題，通過對狀態的託管引用實現安全併發，這是由稱為軟體事務記憶體（STM）的控制機制提供的。

STM是一種軟體級設計，用於控制對記憶體中共享資料的訪問，它的工作方式類似於資料庫事務（但限於控制對記憶體資料的訪問，而不是持久的資料儲存）。

STM事務確保以原子方式完成狀態更改，與事務關聯的所有更改，一旦過程中有失敗，則全部回滾已經做出的更改，此外，必須實現一致地進行更改，這意味著如果更改無法滿足某些指定的約束，則事務也會失敗，最後，更改必須以隔離的方式發生，對事務中的資料所做的所有更改僅對當前的執行緒是可見的。

Clojure STM使用多版本控制併發，它在事務開始之前獲取資料的快照，對快照所做的更改對於外部世界（其他執行緒）是不可見的，直到提交更改成功完成事務。

Clojure提供了ref（reference）結構，用於管理允許同步和

協調更改的資料，對refs的所有修改必須在STM事務中發生，該事務是使用dosync語法指定的。

銀行業務情景

讓我們考慮典型的銀行賬戶處理方案，在一個帳戶甚至多個帳戶上進行大量交易。但是，該帳戶預計必須在所有這些交易中保持一致的平衡。

讓我們建立一個函式，使用ref建立一個帳戶，指定帳戶名、帳號和初始起始餘額。


(defn create-account [ account-name account-number balance ]
( ref { :account-name account-name
:account-number account-number
:balance balance
} :validator allowable-balance? ) )

(defn allowable-balance? [ { :keys [ balance ]}]
( or ( > balance 0 )
(throw (IllegalStateException. "Balance cannot be less than zero" ) )
))

此函式返回一個ref，它表示呼叫時的帳戶。我們還添加了

驗證器功能，以確保帳戶餘額始終大於零。（畢竟我們是銀行。）

現在，讓我們建立三個帳號。


(def first-account ( create-account "Robert" 300045 120 ) )
( def second-account (create-account "Mike" 30046 500 ) )
( def third-account (create-account "Rose" 30047 200 ) )

這將分別建立具有指定詳細資訊的三個帳戶引用，現在，假設Mike決定做慈善事業並指示銀行從他的賬戶轉賬到Robert賬戶200美元。

要做到這一點，必須做兩件事：首先，我們需要將Mike的賬戶扣除200美元，然後將其存入Robert的賬戶。對於外界來說，這兩個操作必須同時發生（原子），轉移需要以這種一種方式進行：即從任何外部觀察者的角度來看，被轉移的資金一次只能在一個賬戶中。

為此，Clojure要求使用dosync在事務中實現此操作。

讓我們定義一個名為make-transfer的函式，它將指定數量的資金從一個帳戶轉移到另一個帳戶。

(defn make-transfer [ from-account to-account transfer-amount ]
(dosync
(alter from-account update-in [ :balance ] - transfer-amount )
(alter to-account update-in [ :balance ] + transfer-amount )))

現在，讓我們發出轉移:


(transfer second-account first-account 200 )
(println "first account -> " @first-account "Second account -> " @second-account )

這是我螢幕上顯示的輸出。

first account -> {:account-name Robert, :account-number 300045, :balance 320} Second account ->
{:account-name Mike, :account-number 30046, :balance 300}

但是，下面這樣的轉移失敗了：

first account -> {:account-name Robert, :account-number 300045, :balance 320} Second account ->
{:account-name Mike, :account-number 30046, :balance 300}

出現錯誤：

CompilerException java.lang.IllegalStateException: Balance cannot be less than zero, compiling:(~/clojure/concurrency.clj:44:1)

我們可以在不同的執行緒上執行這兩個操作，如下所示：

(future (make-transfer second-account first-account 100 ) )
(future (make-transfer second-account third-account 600) )

理解alter函式

alter函式用於原子地更新一個Ref物件，它由提供的ref和一個函式來呼叫，該函式將ref作為引數並返回一個值，返回值將用作ref的新值。因為Clojure允許在多個執行緒中同時執行多個事務，所以傳給alter函式的ref的快照值如果與ref的當前值相同時才允許事務提交，否則所有更改都將是丟棄，並使用ref的最新值重試事務。這種無鎖方法允許執行緒自由執行事務而不會被阻塞，包括那些只能讀取的事務。

commute函式

為了限制alter function在提交時需要的重試次數，可以在函式應用程式的順序無關緊要的情況下使用commute函式，如果在兩個事務結束時，哪個執行緒是否首先提交本身無所謂，可以採用這個函式。

因此，銀行轉賬的順序並不重要的情況下，可以像下面這樣實施轉移功能：

(defn make-transfer-2 [ from-account to-account transfer-amount ]
(dosync
(commute from-account update-in [ :balance ] - transfer-amount )
(commute to-account update-in [ :balance ] + transfer-amount )
))

結論

Clojure是一種動態型別的函式式語言，它的設計考慮了併發性。

Clojure軟體事務儲存器

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