冒号课堂
第二课 重要范式(4）
2.4并发范式——合作与竞争
在合作中竞争，在竞争中合作 ——《竞合》
关键词：编程范式,并发式编程,线程,进程,过程式,函数式,逻辑式,对象式
摘要：并发式编程简谈
？提问
- 并发式编程有何特点？
- 并发式编程有哪些好处？
- 合理的并发式编程设计应满足哪些条件？
：讲解
逗号好奇地问：“还有其他类型的编程范式吗？”
“不但有，而且有很多。”冒号喝了一口水，悠悠地说，“并发式编程（concurrent programming）就是其中之一。”
叹号有些惊讶：“并发式编程也算一种范式？它似乎更像是提供运行效率的一种手段。”
“大谬不然。”冒号摇摇头，“真正的并发式编程，绝不只是调用线程[1]API或使用synchronized、lock之类的关键字那么简单。从宏观的架构设计，到微观的数据结构、流程控制乃至算法，相比通常的串行式编程都可能发生变化。随着硬件性能和用户需求的双重提升，并发式编程已成为不可回避的主题。毫不夸张地说，并发式编程是继OOP之后又一场思想和技术上的革命。只是相比OOP，尽管年龄相仿，但语言上不够支持，标准上不够统一，理论上不够完善，因而这场革命更具破坏性和建设性。现在我们来看一个例子，比较两种烧水泡茶的方案。”
说着冒号在黑板上写下——
方案一：洗茶杯；放茶叶；灌水壶；烧水；水开后泡茶。
方案二：灌水壶；在烧水的同时，洗茶杯；放茶叶；水开后泡茶。
引号见多识广：“我记得这好像是运筹学中的例子，显然方案二更佳。从编程的角度来看，方案一是串行式编程，方案二是并发式编程——烧水的线程与洗茶杯放茶叶的线程是同时进行的。”
“如果方案一也用并发式编程呢？”冒号追问。
引号一愣，随即道：“必须先洗茶杯后放茶叶，洗茶杯放茶叶的同时也没法烧水，至于泡茶，更得等水开之后了。”
句号明白了冒号的用意：“这就是说，单凭并发式编程并不能保证提高程序性能，还必须在程序设计上下功夫。”
问号继续深究：“即便如此，如果硬件不支持，并发式编程也未必能提高效率啊。比如在一台单处理器的主机上，多个线程只能是模拟的、逻辑上的并行，而非真正物理上的并行。”
“这话有一定道理。”冒号有限度地表示赞同，“但设计者应该未雨绸缪，总不能等到有了多处理器才想到并发式编程吧？再者，没有多处理器，是不是可以利用多台单处理器的主机同时运算呢？退一步讲，即使在一台单处理器的情况下，并发式编程同样可能提高性能。最典型的一个例子：当一个线程因为等待某种资源而被堵塞时，可以切换到其他线程而不至让CPU闲置。更重要的一点是，难道除了缩短程序运行时间外，并发式编程就没有别的好处吗？譬如打开一个网页，你是希望浏览器边下载边显示网页呢，还是下载完成后再显示？”
“当然是边下载边显示啦。” 叹号毫不犹豫地说，“如果每个网页都是下载完成后再显示，那还不把人给憋坏了！”
逗号加了一句：“浏览器加载文字和加载图像也应分开在不同的线程，如果用户对文字部分不感兴趣，不等图像显示就可直接关闭网页了。”
“如果网页被提前关闭，那也是假用户之手变相缩短了程序运行时间。”冒号接过话来，“还有一个常见的例子，包括浏览器在内的许多应用软件在运行中都会显示一个进程条。该进程条的更新需要一个单独的线程，从效率上看它起的作用是负面的，但大大提高了用户体验，是软件人性化的表现。再举一例，媒体播放器一般都会提供暂停、快进、倒退、快放、慢放等按钮，如果不采用多线程，它们将形同虚设。此处并发式编程的作用在于提高了软件的响应能力，也改善了用户体验——有谁愿意驾驶一辆启动后不能刹车、不能倒车、不能变速、油尽方停的汽车呢？”
“岂止是不愿意，简直是恐怖！”叹号加重了语气。
“对于操作系统、各种实时系统和诸如数据库、网络服务器等基于服务的系统来说，在响应用户请求的时间上和资源的合理分配上有着极高的要求，并发式编程更是不可或缺。”句号接着补充。
问号随即又问：“并发式编程还有其他用处吗？”
冒号应道：“不同编程范式采用不同的视角和方法来设计和开发软件。并发式编程以进程为导向（Process-Oriented）、以任务为中心将系统模块化。我们都知道，模块化在编程中是个好东西。”
引号心存疑惑：“过程式中引入了函数模块，对象式中引入了对象模块，但并发式似乎没有在语法上引入新型模块，比如C和Java中的线程其实不过是函数或方法的包装而已。”
“我猜你的意思是：在定义一个线程之前，其主函数已经模块化了，不能把功劳记在并发式编程上，对吧？”冒号笑问，“你不能孤立静止地看待每个模块，还要考虑到模块之间的相互关联和作用。相比串行式，并发式在模块之间引入了新的通讯和控制方式。也就是说，原先的一些模块的定义和划分一定是建立在线程机制的基础上的。如果失去线程的支持，它们的合理性自然会打上问号，说不定整体设计都会受到牵连。这也体现了编程范式的渗透性和全局影响力。”
教室上空弥漫的疑云一消而散。
冒号进一步指出：“除了用户主观上的需求和硬件客观上的可能外，并发式显得格外重要的另一深层原因是：许多程序是现实世界的模拟，而我们生活的世界不折不扣是并发式的。从某种意义上看，并发式的模拟比对象式的模拟更贴近世界。”
引号再次提问：“并发式编程在设计上有什么要求？”
“并发式编程以资源共享与竞争为主线——又是对当今世界形势的一个逼真模拟。这意味着程序设计将围绕进程的划分与调度、进程之间的通讯与同步等等来展开。合理的并发式设计需要诸多方面的权衡考量。”冒号说着，放出一段幻灯片——
- 软件易于重用、维护、测试
- 公平有效地利用资源，优化程序性能如增大吞吐量、减少响应时间、提高效率等
- 保障进程安全，防止竞态条件（Race Condition）
- 保持进程活性，避免死锁、饥饿、活锁、资源枯竭等
- 减少锁开销、上下文切换等带来的性能损失
- 妥善处理多进程在算法、调试等方面带来的复杂性
叹号蹙眉：“并发式编程好是好，就是太复杂。”
“天下没有免费的午餐。有所得，必有所失。” 冒号淡淡地说，“并发式编程当然不容易，但也并非难以掌握。最重要的是，作为一个程序员，你不得不面对它。即使你不直接用并发式编程，你依赖的代码和依赖你的代码也可能用到；即使现在没有用并发式，将来也可能用到。如果采取避而不理的鸵鸟政策，早晚会被人点中你的死穴。虽然目前不会对并发式编程作更深入的探讨，但希望能引起你们足够的重视。”
句号谈及他的感受：“相比OOP在语言上得到的支持，并发式的支持力度好像很不够。”
冒号点头称是：“这是由并发式的复杂性和成熟度决定的。另外，在究竟是在语言级别上支持并发、还是交由操作系统处理的问题上，仁者见仁，智者见智。Ada、Java和C#等选择前者，在语法上对并发式编程有一定的支持；C和C++等选择后者，除了关键字volatile外，主要靠库函数支持。专门为并发式而设计的语言大多仅限于学术研究而非商业应用，Erlang语言[2]是少数的例外。顺带提一下，前面提到的声明式语言具有无副作用的特性，尤其适合于并发式编程。”
问号提了一个听似奇怪的问题：“并发式与前面提到的对象式有无共通之处？”
“并发式与对象式虽是互相正交的两种范式，倒真有些相通呢。”冒号回答，“它们均与三大核心范式正交，并且越来越广泛地向它们渗透着；均为传统编程的一种推广——并发式进程的个数为一时即为传统的串行式编程，对象的方法个数为为零即为传统的数据类型；均将整个程序系统分解为若干独立的子系统，不同的是一个以任务为单位，一个以对象为单位；子系统之间均能交流与合作，不同的是一个以竞争为主题，一个以服务为主题。如果将程序系统视作公司，那么并发式系统是产品型公司，每个进程是一名工人，其职责是执行单一任务；对象式系统是服务型公司，每个对象是一名服务员，其职责是提供系列服务。由此可见，一名优秀的程序设计师也应该是一名优秀的管理者。”
句号提出：“迄今为止我们谈到了五种范式，能否对它们简单概括一下？”
“你提问的时机把握得不错嘛。”冒号开始如数家珍，“为便于记忆，我们不妨用‘一二三四五’来概括编程范式之最：最传统的一个是命令式；最基本的两个是命令式和声明式；最核心的三个是命令式、函数式和逻辑式；最主要的四个是命令式、函数式、逻辑式和对象式；最重要的五个是命令式、函数式、逻辑式、对象式和并发式。最后，我们来对比一下五大范式。”
少顷，黑板上出现几行排比句——
过程式：以过程为模块的君主体系，模块之间互相授命与听命
函数式：以函数为模块的数学体系，模块之间互相替换与合成
逻辑式：以断言为模块的逻辑体系，模块之间互相归纳与演绎
对象式：以对象为模块的民主体系，模块之间互相交流与服务
并发式：以进程为模块的生产体系，模块之间互相竞争与合作
“说回并发式编程，它要求我们摆脱以往习惯的按部就班的思维方式，对编程提出了更高的挑战。程序世界与现实世界一样，呈百舸争流、千帆竞发之势，不进则退啊！”言讫，冒号宣布，“第二堂课到此为止，欢迎下次光临。”
，插语
[1] 并发式编程中以进程（process）或线程（thread）为基本单位。尽管它们有很大的差异，但为简明起见，这里不加区分地交替使用两个术语。
[2] Erlang是由爱立信开发的一种通用编程语言，支持函数式和并发式。
。总结
· 并发式编程以进程为导向、以任务为中心、以资源共享与竞争为主线。
· 并发式编程有助于提高运行效率、充分利用资源、提高软件的响应能力、改善用户体验，同时以进程为单位将系统模块化，更加真实地模拟现实世界。
· 合理的并发式设计应该做到：软件易于重用、维护和测试；有效地利用资源，优化程序性能；保障进程安全和活性；减少性能损失和复杂度。
· 对象式和并发式在传统编程的基础上，分别从不同的方向进行拓展：对象式在数据类型上进行推广——允许运算作为数据类型的成员；并发式在执行顺序上进行推广——允许不同运算的执行在时间上交替或者重合。它们与三大核心范式一道，组成了最重要的五大编程范式。
· 五大重要范式对比：
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范式
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体系
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模块
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模块关系
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过程式
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君主体系
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过程
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授命与听命
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函数式
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数学体系
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函数
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替换与合成
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逻辑式
|
逻辑体系
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断言
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归纳与演绎
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对象式
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民主体系
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对象
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交流与服务
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并发式
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生产体系
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进程
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竞争与合作
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“”参考
[1] Abraham Silberschatz，Peter Galvin．Operating System Concepts，5ed.．Reading,MA：Addison-Wesley，1998．155-235
课后思考
· 在你所掌握的语言当中，有哪些是命令式的？哪些是声明式的？其中，命令式语言里有哪些声明式的特征？声明式的语言里有哪些命令式的特征？它们各自有哪些优点和缺点？
· 你编写的程序符合结构化编程的原则吗？
· 你接触过函数式语言和逻辑式语言吗？如果没有，试着阅读相关的入门书籍，体会它们与过程式迥然不同的风味。（函数式语言推荐Haskell和 Scheme，逻辑式语言推荐Prolog）
· 相比纯过程式的编程语言（如C语言），你认为OO语言主要有哪些优势？又有哪些劣势？
· 你认为在并发式编程设计中，最重要的是什么？最困难的是什么？