LXF158:Erlang: Изу­чим мно­го­за­дач­ность

Подписка на печатную версию Весь 2015 год (12 номеров) Первое полугодие (6 номеров) Второе полугодие (6 номеров)

Подписка на электронную версию Весь 2015 год (12 номеров) Первое полугодие (6 номеров) Второе полугодие (6 номеров)

Подшивки старых номеров журнала (печатные версии) Весь 2014 год (12 номеров) Первое полугодие (6 номеров) Второе полугодие (6 номеров)

Erlang - Опи­сы­ва­ет­ся сле­дую­щей фор­му­лой: функ­цио­наль­ный язык + про­цес­сы

Erlang: Изу­чим мно­го­за­дач­ность

Ан­д­рей Уша­ков ув­ле­чен взаи­мо­дей­ст­ви­ем ме­ж­ду про­цес­са­ми.

Наш эксперт Ан­д­рей Уша­ков ак­тив­но при­бли­жа­ет тот день, ко­гда функ­цио­наль­ные язы­ки ста­нут мейн­ст­ри­мом.

Со­вре­мен­ный мир раз­ра­бот­ки ПО слож­но пред­ста­вить без та­ко­го сред­ст­ва, как мно­го­за­дач­ность. Мно­го­за­дач­ность по­зво­ля­ет ре­шать мно­гие за­да­чи за при­ем­ле­мое вре­мя бла­го­да­ря то­му, что мно­гие час­ти од­ной за­да­чи вы­пол­ня­ют­ся од­но­вре­мен­но. Мно­го­за­дач­ность – это од­на из са­мых слож­ных об­лас­тей про­грам­ми­ро­вания. Язык Erlang в свое вре­мя был спе­ци­аль­но раз­ра­бо­тан для ре­шения боль­шин­ст­ва техниче­­ских про­блем, свя­зан­ных с мно­го­за­дач­но­стью. Эта стать­я открыва­ет боль­шой цикл, по­свя­щен­ный соз­данию мно­го­за­дач­ных и рас­пре­де­лен­ных при­ло­жений средствами язы­ка Erlang.

А начнем мы наш раз­го­вор с оп­ре­де­ления основ­ных тер­ми­нов, свя­зан­ных с те­мой на­ше­го раз­го­во­ра. Пер­вым де­лом да­дим оп­ре­де­ление тер­ми­ну «мно­го­за­дач­ность». Мно­го­за­дач­ность – это свой­ст­во язы­ка про­грам­ми­ро­вания, сре­ды вы­полнения и опе­ра­ци­он­ной сис­те­мы по обес­пе­чению од­но­вре­мен­но­го (или псев­до­од­нов­ре­мен­но­го) вы­полнения несколь­ких за­дач. Ес­ли язык про­грам­ми­ро­вания не яв­ля­ет­ся мно­го­за­дач­ным, то и бес­по­ко­ить­ся нам не о чем: все за­да­чи у нас вы­пол­ня­ют­ся по­сле­до­ва­тель­но. Ес­ли сре­да вы­полнения или опе­ра­ци­он­ная сис­те­ма не яв­ля­ют­ся мно­го­за­дач­ны­ми, то мак­си­мум, что мы смо­жем по­лу­чить – это ил­лю­зию мно­го­за­дач­но­сти. Эта ил­лю­зия за­клю­ча­ет­ся в том, что по­ток вы­полнения у нас в ре­аль­но­сти все­го один; сре­да вы­полнения или ОС пе­ре­клю­ча­ют его на вы­полнение разных фраг­мен­тов ко­да.

Ес­ли и язык про­грам­ми­ро­вания, и сре­да вы­полнения, и ОС под­дер­жи­ва­ют мно­го­за­дач­ность, то что­бы добиться од­но­вре­мен­ного вы­полнения несколь­ких за­дач, необ­хо­ди­мо вы­полнить два усло­вия. Во-пер­вых, ис­тин­ную мно­го­за­дач­ность мы мо­жем по­лу­чить, за­пуская несколь­ко за­дач на мно­го­про­цес­сор­ном или мно­го­ядер­ном ком­пь­ю­те­ре, или на несколь­ких ком­пь­ю­те­рах, со­единен­ных се­тью. Во-вто­рых, и это, по­жа­луй, са­мое важ­ное, для од­но­вре­мен­но­го вы­полнения несколь­ких за­дач в рам­ках од­ной про­грам­мы про­грам­ма из­на­чаль­но должна раз­ра­ба­ты­ваться как мно­го­за­дач­ная.

Мно­го­за­дач­ность бывает двух типов: осно­ван­ная на про­цес­сах и осно­ван­ная на по­то­ках. Го­во­ря о мно­го­за­дач­но­сти, осно­ван­ной на по­то­ках, мы имеем в виду, что у нас есть несколь­ко по­то­ков вы­полнения ко­да в рам­ках од­но­го про­цес­са. При та­кой кон­фи­гу­ра­ции несколь­ко за­дач од­но­вре­мен­но вы­пол­няют­ся в од­ном ад­рес­ном про­стран­ст­ве; это уп­ро­ща­ет взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду за­да­ча­ми, но при неправиль­ной реа­ли­за­ции данного взаи­мо­дей­ст­вия мо­жет при­вес­ти к несо­гла­со­ван­но­сти и пор­че дан­ных.

Мно­го­за­дач­но­сть, осно­ван­ная на про­цес­сах, подразумевает, что у нас есть несколь­ко про­цес­сов на од­ном или несколь­ких ком­пь­ю­те­рах. При та­кой кон­фи­гу­ра­ции у ка­ж­дой за­да­чи свое ад­рес­ное про­стран­ст­во, что пре­дот­вра­ща­ет мно­гие слу­чаи воз­мож­ной пор­чи со­стояния од­ной за­да­чи дру­гой за­да­чей, но услож­ня­ет взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду за­да­ча­ми. В дальней­шем мы бу­дем раз­ли­чать си­туа­ции, когда несколь­ко про­цес­сов вы­пол­ня­ют­ся на од­ном ком­пь­ю­те­ре и когда несколь­ко про­цес­сов вы­пол­ня­ют­ся на раз­ных ком­пь­ю­те­рах, со­единен­ных се­тью. Свя­за­но это с тем, что спо­со­бы взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду про­цес­са­ми за­ви­сят от то­го, на од­ном или на раз­ных ком­пь­ю­те­рах про­цес­сы вы­пол­ня­ют­ся.

Мно­го­за­дач­ность, осно­ван­ную на про­цес­сах, вы­пол­няю­щих­ся на раз­ных ком­пь­ю­те­рах, мы бу­дем рас­смат­ри­вать от­дель­но. Та­кой вариант много­за­дач­но­сти на­зы­ва­ют рас­пре­де­лен­ной сис­те­мой (а са­му та­кую мно­го­за­дач­ность – рас­пре­де­лен­ны­ми вы­чис­ления­ми). Глав­ное пре­иму­ще­ст­во рас­пре­де­лен­ных сис­тем пе­ред нерас­пре­де­лен­ны­ми в том, что их мощ­ность (ко­ли­че­­ст­во ком­пь­ю­те­ров, объ­е­динен­ных се­тью) мож­но на­ра­щи­вать бес­конеч­но. Ми­ну­сы по­доб­ных сис­тем в том, что их доста­точ­но слож­но соз­да­вать и под­дер­жи­вать их ра­бо­ту (вполне оче­вид­но, что чем боль­ше та­кая рас­пре­де­лен­ная сис­те­ма, тем это де­лать сложнее). Кро­ме то­го, да­ле­ко не вся­кую за­да­чу име­ет смысл ре­шать в рас­пре­де­лен­ной сис­те­ме; но это те­ма для от­дель­ной ста­тьи.

Вме­сто это­го да­вай­те рас­смот­рим класс за­дач, ре­шение ко­то­рых в рас­пре­де­лен­ной сис­те­ме да­ет су­ще­ст­вен­ный вы­иг­рыш по сравнению с ре­шением нерас­пре­де­лен­ным и од­но­за­дач­ным спо­со­бом. Это за­да­чи по по­ис­ку эле­мен­та из неко­то­ро­го мно­же­ст­ва ме­то­дом пол­но­го пе­ре­бо­ра (или ме­то­дом «гру­бой си­лы», англ. brute force): мы пе­ре­би­ра­ем все эле­мен­ты из мно­же­ст­ва, по­ка не най­дем удов­ле­тво­ряю­щий нас эле­мент.

Оче­вид­но, что ес­ли мно­же­ст­во эле­мен­тов упо­ря­до­че­но и су­ще­ст­ву­ет связь ме­ж­ду кри­те­ри­ем по­ис­ка (бли­зостью эле­мента к ис­ко­мо­му) и по­ряд­ком эле­мен­тов, то ме­тод по­ис­ка пол­ным пе­ре­бо­ром в та­кой си­туа­ции не оп­ти­ма­лен. Так­же вполне оче­вид­но, что ес­ли мы раз­де­лим мно­же­ст­во эле­мен­тов на N рав­ных под­мно­жеств и начнем по­иск в этих под­мно­же­ст­вах од­но­вре­мен­но, то среднее вре­мя по­ис­ка бу­дет в N раз мень­ше среднего вре­мени по­ис­ка во всем мно­же­ст­ве эле­мен­тов. По­это­му вполне ло­гич­но, что та­кой класс за­дач хо­ро­шо под­хо­дит для ре­шения на рас­пре­де­лен­ных сис­те­мах. К та­ко­му клас­су за­дач от­но­сит­ся, на­при­мер, за­да­ча под­бо­ра па­ро­ля по хэ­шу MD5 (хо­тя для этой за­да­чи су­ще­ст­ву­ет и аль­тер­на­тив­ный под­ход к ре­шению, с ис­поль­зо­ванием ра­дуж­ных таб­лиц).

Пой­дем даль­ше и оста­но­вим­ся на еще од­ном по­ня­тии, без ко­то­ро­го невоз­мож­но соз­да­вать бо­лее-менее слож­ные мно­го­за­дач­ные про­грам­мы: это взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду за­да­ча­ми (обыч­но на­зы­вае­мое взаи­мо­дей­ст­ви­ем ме­ж­ду про­цес­са­ми или IPC). Сред­ст­ва, при­ме­няе­мые для та­ко­го взаи­мо­дей­ст­вия, за­ви­сят от вида ис­поль­зу­емой мно­го­за­дач­ности (осно­ван­ной на по­то­ках, осно­ван­ной на про­цес­сах на од­ном ком­пь­ю­те­ре или осно­ван­ной на ис­поль­зо­вании рас­пре­де­лен­ных вы­чис­лений), а так­же от язы­ка про­грам­ми­ро­вания (ес­ли та­кие сред­ст­ва встрое­ны в язык), сре­ды вы­полнения и ОС. Вполне ло­гич­но, что сред­ст­ва, при­ме­няе­мые для взаи­мо­дей­ст­вия про­цес­сов в рас­пре­де­лен­ной сис­те­ме, мо­гут быть при­менены и для взаи­мо­дей­ст­вия про­цес­сов на од­ном ком­пь­ю­те­ре, и для взаи­мо­дей­ст­вия по­то­ков в од­ном про­цес­се. А сред­ст­ва, при­ме­няе­мые для взаи­мо­дей­ст­вия про­цес­сов на од­ном ком­пь­ю­те­ре, пригодны и для взаи­мо­дей­ст­вия по­то­ков внут­ри про­цес­са.

Возника­ет во­прос: зачем нам ис­поль­зо­вать бо­лее об­щие сред­ст­ва взаи­мо­дей­ст­вия в слу­чае, когда мож­но при­менить бо­лее под­хо­дя­щие для дан­но­го ти­па мно­го­за­дач­но­сти? Од­на из при­чин та­ко­го под­хо­да со­сто­ит в том, что, раз­ра­ба­ты­вая из­на­чаль­но взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду за­да­ча­ми та­ким спо­со­бом, мы по­лу­ча­ем воз­мож­ность ис­поль­зо­вать наш код для лю­бых ви­дов мно­го­за­дач­но­сти. Кро­ме то­го, при та­ком под­хо­де мы мо­жем из­бе­жать или миними­зи­ро­вать возник­но­вение од­но­вре­мен­но­го досту­па к дан­ным (точнее го­во­ря, нам на­до из­бе­гать од­но­вре­мен­но­го досту­па к дан­ным, ес­ли мы хо­тим из­ме­нять эти дан­ные) и, как след­ст­вие, воз­мож­но­го по­вре­ж­дения и несо­гла­со­ван­но­сти дан­ных.

Те­перь да­вай­те раз­бе­ремся, ка­кие есть сред­ст­ва для соз­дания мно­го­за­дач­ных про­грамм. В ка­че­­ст­ве при­ме­ра та­ко­го средства рас­смот­рим ОС Linux. Пер­вый во­прос, ко­то­рый вста­ет пе­ред на­ми – как соз­давать но­вые за­да­чи. Начнем с соз­дания по­то­ков. В Linux для ра­бо­ты с по­то­ка­ми у нас есть биб­лио­те­ка pthreads (ин­те­рес­но, что по­то­ки в Linux – это про­цес­сы, раз­де­ляю­щие ре­сур­сы с про­цес­сом, ко­то­рый их соз­дал); для соз­дания но­вых по­то­ков ис­поль­зу­ет­ся функ­ция pthread_create. Пе­рей­дем к соз­данию про­цес­сов. Для соз­дания про­цес­сов у нас есть сле­дую­щие биб­лио­теч­ные функ­ции: функ­ция fork для соз­дания но­во­го про­цес­са, се­мей­ст­во функ­ций exec для за­пуска в рам­ках про­цес­са дру­гой про­грам­мы, функ­ция system для вы­полнения команд. Сле­ду­ет ска­зать, что соз­да­вать но­вые про­цес­сы мы мо­жем толь­ко на локаль­ном ком­пь­ю­те­ре; воз­мож­но­сти соз­дать но­вый про­цесс (и за­пустить в нем ка­кую-ли­бо про­грам­му) у нас нет. По­это­му при по­строении рас­пре­де­лен­ной сис­те­мы необ­хо­ди­мо пре­ду­смот­реть ав­то­ма­ти­че­­ский старт (при стар­те сис­те­мы) неко­то­ро­го про­цес­са для взаи­мо­дей­ст­вия уз­лов этой рас­пре­де­лен­ной сис­те­мы.

При­шла по­ра по­смот­реть, ка­кие есть сред­ст­ва взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду за­да­ча­ми в ОС Linux. Начнем с мно­го­за­дач­но­сти, осно­ван­ной на по­то­ках; для взаи­мо­дей­ст­вия за­дач у нас есть мью­тек­сы, бло­ки­ров­ки чтения-за­пи­си, услов­ные пе­ре­мен­ные, воз­мож­ность ожи­дания за­вер­шения по­то­ка. Все эти сред­ст­ва осно­ва­ны на ис­поль­зо­вании бло­ки­ро­вок по­то­ка вы­полнения. Мно­же­ст­во средств для мно­го­за­дач­но­сти, осно­ван­ной на локаль­ных про­цес­сах, доста­точ­но раз­но­об­раз­но: име­но­ван­ные и неиме­но­ван­ные ка­на­лы, фай­лы, оче­ре­ди со­об­щений, се­ма­фо­ры, раз­де­ляе­мая па­мять, со­ке­ты до­ме­на Unix, воз­мож­ность ожи­дания за­вер­шения про­цес­са. Ес­ли для взаи­мо­дей­ст­вия про­цес­сов мы ис­поль­зу­ем раз­де­ляе­мую па­мять или фай­лы, то при неак­ку­рат­ной ра­бо­те с дан­ны­ми (на­при­мер, когда несколь­ко про­цес­сов од­но­вре­мен­но пы­та­ют­ся эти дан­ные из­менить) дан­ные мо­гут ис­пор­тить­ся; в этом слу­чае необ­хо­ди­мо ис­поль­зо­вать до­полнитель­ные сред­ст­ва син­хрониза­ции, та­кие как бло­ки­ров­ка за­пи­сей в фай­ле, се­ма­фо­ры, об­мен со­об­щения­ми. И, на­конец, для мно­го­за­дач­но­сти в рас­пре­де­лен­ной сре­де у нас есть лишь од­но сред­ст­во взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду за­да­ча­ми – со­ке­ты (прав­да, кон­фи­гу­ра­ция со­ке­тов мо­жет быть раз­но­об­раз­ной – на­при­мер, со­ке­ты с уста­нов­лением со­единения и без).

По­сле об­ще­го об­зо­ра, что та­кое мно­го­за­дач­ность, и об­зо­ра средств для соз­дания мно­го­за­дач­ных при­ло­жений на при­ме­ре кон­крет­ной плат­фор­мы мы мо­жем пе­рей­ти непо­сред­ст­вен­но к основ­ной те­ме ста­тьи – мно­го­за­дач­но­сти в язы­ке Erlang. Язык Erlang из­на­чаль­но был раз­ра­бо­тан для соз­дания мно­го­за­дач­ных и рас­пре­де­лен­ных при­ло­жений, по­это­му сред­ст­ва для соз­дания за­дач и взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду ними име­ют под­держ­ку на уровне язы­ка (в чем очень ско­ро мы убе­дим­ся).

В от­ли­чие от боль­шин­ст­ва язы­ков и плат­форм, в язы­ке Erlang су­ще­ст­ву­ет толь­ко один тип за­дач, на­зы­вае­мый про­цес­са­ми. За­да­чи в язы­ке Erlang не яв­ля­ют­ся ис­тин­ны­ми про­цес­са­ми, т. к. не об­ла­да­ют соб­ст­вен­ным ад­рес­ным про­стран­ст­вом. Это оз­на­ча­ет, что несколь­ко про­цес­сов мо­гут вы­пол­нять­ся в пре­де­лах од­но­го эк­зем­п­ля­ра сре­ды вы­полнения Erlang (на од­ной вир­ту­аль­ной ма­шине Erlang). С дру­гой сто­ро­ны – и это роднит про­цес­сы Erlang с ис­тин­ны­ми про­цес­са­ми – про­цес­сы Erlang изо­ли­ро­ва­ны друг от дру­га (в от­ли­чие от, на­при­мер, по­то­ков в слу­чае мно­го­за­дач­но­сти, осно­ван­ной на по­то­ках). Изо­ли­ро­ван­ность про­цес­сов друг от дру­га за­клю­ча­ет­ся в сле­дую­щих ас­пек­тах. Во-пер­вых, дан­ные од­но­го про­цес­са не доступ­ны нико­му, ес­ли это­го не по­же­лал сам про­цесс. Во-вто­рых, ес­ли во вре­мя ра­бо­ты возника­ет необ­ра­ба­ты­вае­мое ис­клю­чение, то про­цесс Erlang бу­дет за­вер­шен (так же как и неко­то­рые свя­зан­ные с этим про­цес­сом про­цес­сы; но об этом – на од­ном из сле­дую­щих уро­ков). При этом за­вер­шение сбой­но­го про­цес­са Erlang не коснет­ся дру­гих (не свя­зан­ных с ним) про­цес­сов, вне за­ви­си­мо­сти от то­го, вы­пол­ня­ют­ся ли они в этом же эк­зем­п­ля­ре сре­ды вы­полнения Erlang или нет. Та­кое по­ве­дение от­ли­ча­ет­ся от по­ве­дения при возник­но­вении необ­ра­ба­ты­вае­мо­го ис­клю­чения в од­ном из по­то­ков вы­полнения ка­ко­го-ли­бо про­цес­са: в этом слу­чае обыч­но за­вер­ша­ет­ся про­цесс це­ли­ком, в том чис­ле и дру­гие по­то­ки вы­полнения.

Про­цес­сы Erlang лег­ко­вес­ны, их соз­дание и за­вер­шение доста­точ­но де­ше­во (по сравнению, на­при­мер, с соз­данием про­цес­сов и по­то­ков в Linux), по­это­му во­прос о том, ис­поль­зо­вать или нет мно­го­за­дач­ность при ре­шении той или иной за­да­чи, дол­жен решать­ся толь­ко ис­хо­дя из фак­та, мож­но ли рас­па­рал­ле­лить ал­го­ритм за­да­чи или нет. Конеч­но, сле­ду­ет ска­зать, что воз­мож­ны си­туа­ции, когда при­менение мно­го­за­дач­но­го ре­шения бу­дет неоп­рав­дан­но (когда, на­при­мер, необ­хо­ди­мо несколь­ким за­да­чам ра­бо­тать од­но­вре­мен­но с боль­шим на­бо­ром дан­ных, рас­по­ло­жен­ных в па­мя­ти), но это­му мы по­свя­тим один из по­сле­дую­щих уро­ков.

Как уже го­во­ри­лось, в язы­ке Erlang у нас есть все­го один тип за­дач на все слу­чаи жизни – про­цес­сы Erlang. Мы уже по­ня­ли, что при желании ис­поль­зо­вать мно­го­за­дач­ность в рам­ках од­но­го эк­зем­п­ля­ра сре­ды вы­полнения Erlang доста­точ­но соз­дать необ­хо­ди­мое ко­ли­че­­ст­во про­цес­сов Erlang. Но что де­лать, ес­ли мы хо­тим соз­дать про­цес­сы Erlang на несколь­ких эк­зем­п­ля­рах сре­ды вы­полнения Erlang – как на локаль­ной ма­шине, так и в слу­чае рас­пре­де­лен­ной сис­те­мы? Для понимания это­го, да­вай­те вве­дем по­ня­тие уз­ла: узел – это име­но­ван­ный эк­зем­п­ляр сре­ды вы­полнения Erlang. Для соз­дания уз­ла доста­точ­но при ее за­пуске за­дать ко­рот­кое (при по­мо­щи клю­ча -sname) или длин­ное (при по­мо­щи клю­ча -name) имя уз­ла (эти­ми клю­ча­ми и разницей ме­ж­ду ними мы бо­лее под­роб­но зай­мем­ся на од­ном из сле­дую­щих уро­ков). По­сле то­го, как узел с оп­ре­де­лен­ным именем соз­дан, мы мо­жем соз­дать на нем необ­хо­ди­мое нам ко­ли­че­­ст­во про­цес­сов с неко­то­ро­го дру­го­го уз­ла. При этом соз­дание про­цес­са на ка­ком-ли­бо уз­ле прак­ти­че­­ски ничем не от­ли­ча­ет­ся от соз­дания про­цес­са в локаль­ной сре­де вы­полнения Erlang: для соз­дания про­цес­са на уз­ле нам необ­хо­ди­мо лишь ука­зать его имя, до­полнив рядом па­ра­мет­ров.

Мо­жет по­ка­зать­ся, что та­кая воз­мож­ность уда­лен­но­го соз­дания про­цес­сов – это боль­шая ды­ра в сис­те­ме безо­пас­но­сти. На са­мом де­ле это не так: сред­ст­ва­ми сре­ды вы­полнения Erlang мы мо­жем управ­лять тем, кто и ка­кой код мо­жет за­пускать на уда­лен­ном уз­ле, но об этом мы по­го­во­рим на од­ном из сле­дую­щих уро­ков.

Для понимания то­го, как соз­да­вать мно­го­за­дач­ные про­грам­мы в язы­ке Erlang, нам оста­лось по­го­во­рить еще на од­ну те­му – взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду за­да­ча­ми. Взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду за­да­ча­ми в язы­ке Erlang осу­ще­ст­в­ля­ет­ся при по­мо­щи об­ме­на со­об­щений. Про­цесс мо­жет по­слать лю­бо­му из­вест­но­му ему про­цес­су лю­бое со­об­щение – лю­бой объ­ект язы­ка Erlang. Что оз­на­ча­ет, что один про­цесс зна­ет о дру­гом про­цес­се? Это оз­на­ча­ет, что у про­цес­са есть иден­ти­фи­ка­тор (на­зы­вае­мый Pid) дру­го­го про­цес­са, ли­бо дру­гой про­цесс за­ре­ги­ст­ри­ро­вал свое имя, ко­то­рое зна­ет дан­ный про­цесс. Иден­ти­фи­ка­тор дру­го­го про­цес­са мы мо­жем знать, ес­ли мы сами его соз­да­ли ли­бо этот дру­гой про­цесс по­слал нам со­об­щение, со­дер­жа­щее его иден­ти­фи­ка­тор (ка­ж­дый про­цесс мо­жет лег­ко уз­нать свой иден­ти­фи­ка­тор). Со­об­щение от од­но­го про­цес­са дру­го­му по­сы­ла­ет­ся асин­хрон­но, т. е. мы не бло­ки­ру­ем про­цесс-отправитель, по­ка это со­об­щение не бу­дет достав­ле­но про­цес­су-получателю. По­сыл­ка со­об­щения от од­но­го про­цес­са дру­го­му про­цес­су яв­ля­ет­ся на­деж­ной; это оз­на­ча­ет, что сре­да вы­полнения Erlang га­ран­ти­ру­ет достав­ку со­об­щения по­лу­ча­те­лю.

Да­вай­те по­смот­рим, как у нас об­сто­ят де­ла со сто­ро­ны по­лу­чения со­об­щений. Ка­ж­дый про­цесс в язы­ке Erlang име­ет свя­зан­ную с ним оче­редь со­об­щений. Как толь­ко со­об­щение достав­ля­ет­ся сре­дой вы­полнения Erlang до про­цес­са, это со­об­щение раз­ме­ща­ет­ся в кон­це оче­ре­ди со­об­щений дан­но­го про­цес­са. Когда про­цесс пы­та­ет­ся по­лу­чить со­об­щение, удов­ле­тво­ряю­щее неко­то­рым кри­те­ри­ям, то он про­смат­ри­ва­ет по­сле­до­ва­тель­но свою оче­редь со­об­щений и из­вле­ка­ет из нее пер­вое удов­ле­тво­ряю­щее кри­те­ри­ям от­бо­ра со­об­щение. Ес­ли удов­ле­тво­ряю­ще­го кри­те­ри­ям от­бо­ра со­об­щения нет, то про­цесс, иниции­ро­вав­ший по­лу­чение, пе­ре­хо­дит в со­стояние ожи­дания. Это ожи­дание длит­ся до тех пор, по­ка сре­да вы­полнения Erlang не доста­вит про­цес­су ка­кое-ли­бо но­вое со­об­щение. Как толь­ко но­вое со­об­щение бу­дет достав­ле­но, про­цесс по­ис­ка со­об­щения, удов­ле­тво­ряю­ще­го кри­те­ри­ям от­бо­ра, бу­дет за­пу­щен за­но­во. По­нят­но, что про­цесс мо­жет бес­конеч­но ожи­дать удов­ле­тво­ряю­щее его кри­те­ри­ям со­об­щение; од­на­ко мы мо­жем по­вли­ять на мак­си­маль­ное вре­мя ожи­дания, за­дав его в вы­ра­жении по­лу­чения со­об­щения. Об­мен со­об­щения­ми ме­ж­ду про­цес­са­ми, несмот­ря на унифи­ка­цию мно­го­за­дач­но­сти в язы­ке Erlang, не един­ст­вен­ное сред­ст­во для взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду за­да­ча­ми. Так как, по­ми­мо об­щения друг с дру­гом, за­да­чи пред­на­зна­че­ны и для взаи­мо­дей­ст­вия с внешним ми­ром, то в на­ши ру­ки по­па­да­ют та­кие сред­ст­ва, как со­ке­ты, фай­лы и т. д.

По­сле об­су­ж­дения прин­ци­пов реа­ли­за­ции мно­го­за­дач­но­сти в язы­ке Erlang при­шла по­ра по­смот­реть на кон­крет­ные сред­ст­ва ее реа­ли­за­ции. Для соз­дания но­вых про­цес­сов у нас есть це­лое се­мей­ст­во BIF: spawn/1, spawn/2, spawn/3, spawn/4. Функ­ции spawn/1 и spawn/3 пред­на­зна­че­ны для соз­дания но­вых про­цес­сов на локаль­ном эк­зем­п­ля­ре сре­ды вы­полнения, функ­ции spawn/2 и spawn/4 – на уда­лен­ном уз­ле. Когда мы соз­да­ем но­вый про­цесс (од­ной из этих функ­ций), мы долж­ны ука­зать за­да­чу, ко­то­рую этот про­цесс бу­дет вы­пол­нять. За­да­чей всегда яв­ля­ет­ся неко­то­рая функ­ция. Функ­ции spawn/1 и spawn/2 за­да­ют вы­пол­няе­мую за­да­чу в ви­де ссыл­ки на про­из­воль­ную функ­цию. Функ­ции spawn/3 и spawn/4 за­да­ют вы­пол­няе­мую за­да­чу в ви­де MFA, где M – это мо­дуль, F – неко­то­рая экс­пор­ти­руе­мая из мо­ду­ля M функ­ция, A – спи­сок ар­гу­мен­тов, пе­ре­да­вае­мых дан­ной функ­ции. Разница ме­ж­ду эти­ми под­хо­да­ми при за­дании вы­пол­няе­мой за­да­чи со­сто­ит в том, что при по­мо­щи ссыл­ки на функ­цию мы мо­жем за­дать как экс­пор­ти­руе­мую функ­цию, так и аноним­ную функ­цию и не экс­пор­ти­руе­мую функ­цию из те­ку­ще­го мо­ду­ля; при по­мо­щи под­хо­да MFA мы всегда за­да­ем экс­пор­ти­руе­мую функ­цию.

Для соз­дания но­вых про­цес­сов у нас так­же име­ет­ся се­мей­ст­во BIF spawn_link. Разница ме­ж­ду этим се­мей­ст­вом функ­ций и се­мей­ст­вом функ­ций spawn в том, что се­мей­ст­во функ­ций spawn_link не толь­ко соз­да­ет но­вый про­цесс, но и соз­да­ет связь ме­ж­ду но­вым про­цес­сом и те­ку­щим (раз­го­вор о свя­зи ме­ж­ду про­цес­са­ми то­же ждет нас в бу­ду­щем). Все функ­ции обо­их се­мейств воз­вра­ща­ют иден­ти­фи­ка­тор про­цес­са или Pid.

Для от­прав­ки со­об­щения от од­но­го про­цес­са дру­го­му про­цес­су мы ис­поль­зу­ем вы­ра­жение Process! Message, где Process – вы­ра­жение, оп­ре­де­ляю­щий це­ле­вой про­цесс (зна­чением это­го вы­ра­жения яв­ля­ет­ся ли­бо иден­ти­фи­ка­тор про­цес­са, ли­бо имя за­ре­ги­ст­ри­ро­ван­но­го про­цес­са), а Message – от­прав­ляе­мое со­об­щение (лю­бой объ­ект язы­ка Erlang). Ре­зуль­та­том это­го вы­ра­жения от­прав­ки со­об­щения яв­ля­ет­ся зна­чение са­мо­го от­прав­ляе­мо­го со­об­щения Message. По­ми­мо это­го вы­ра­жения от­прав­ки со­об­щений, су­ще­ст­ву­ет еще це­лое се­мей­ст­во функ­ций, оп­ре­де­лен­ных в мо­ду­ле erlang для дан­ной за­да­чи. К это­му се­мей­ст­ву от­но­сят­ся функ­ции erlang:send/2, erlang:send/3, erlang:send_after/3, erlang:send_nosuspend/2, erlang:send_nosuspend/3. Эти функ­ции (за ис­клю­чением функ­ции erlang:send/2, ко­то­рая иден­тич­на вы­ра­жению от­прав­ки со­об­щения) по­зво­ля­ют на­стро­ить про­цесс от­прав­ки со­об­щений. Для ре­шения за­да­чи от­пра­вки со­об­щения у нас есть несколь­ко воз­мож­ных ва­ри­ан­тов, а для по­лу­чения со­об­щения толь­ко один – вы­ра­жение receive. Вы­ра­жение для по­лу­чения со­об­щений receive име­ет сле­дую­щий вид:

receive

Pattern1 [when GuardSeq1] -> Body1;

...;

PatternN [when GuardSeqN] -> BodyN

[after ExprT -> BodyT]

end

В этом вы­ра­жении по­лу­чения со­об­щения ка­ж­дое под­вы­ра­жение ви­да Patterni [when GuardSeqi] оп­ре­де­ля­ет кри­те­рий, по ко­то­ро­му то или иное со­об­щение из оче­ре­ди со­об­щений про­цес­са мо­жет быть вы­бра­но для об­ра­бот­ки. В под­вы­ра­жении Patterni [when GuardSeqi] часть Patterni яв­ля­ет­ся вы­ра­жением со­от­вет­ст­вия шаб­ло­ну [pattern-matching], а часть when GuardSeqi яв­ля­ет­ся вы­ра­жением ох­ра­ны. Ес­ли бу­дет най­де­но со­об­щение, удов­ле­тво­ряю­щее од­но­му из кри­те­ри­ев Patterni [when GuardSeqi], то зна­чением вы­ра­жения receive бу­дет под­вы­ра­жение Bodyi, со­от­вет­ст­вую­щее под­вы­ра­жению кри­те­рия вы­бо­ра. Вы­ра­жение after ExprT -> BodyT за­да­ет по­ве­дение, ес­ли в оче­ре­ди со­об­щений не ока­за­лось под­хо­дя­ще­го со­об­щения: в этом слу­чае вы­полнение про­цес­са приоста­нав­ли­ва­ет­ся мак­си­мум на ExprT мил­ли­се­кунд. Ес­ли в те­чение ExprT мил­ли­се­кунд в оче­ре­ди со­об­щений про­цес­са не поя­вит­ся со­об­щения, удов­ле­тво­ряю­ще­го пе­ре­чис­лен­ным вы­ше кри­те­ри­ям, то про­цесс за­кон­чит ожи­дание под­хо­дя­ще­го со­об­щения, и зна­чением вы­ра­жения receive бу­дет под­вы­ра­жение BodyT. Зна­чением под­вы­ра­жения ExprT так­же мо­жет быть атом infinity; в этом слу­чае про­цесс бу­дет ждать со­об­щения, удов­ле­тво­ряю­ще­го од­но­му из кри­те­ри­ев, бес­конеч­но дол­го. Вы­ра­жение after ExprT -> BodyT не яв­ля­ет­ся обя­за­тель­ным; ес­ли оно от­сут­ст­ву­ет в вы­ра­жении receive, то это эк­ви­ва­лент­но слу­чаю бес­конеч­но­го ожи­дания под­хо­дя­ще­го со­об­щения про­цес­сом.

А те­перь при­шла по­ра прак­ти­ки: да­вай­те на про­стом при­ме­ре по­смот­рим, как ра­бо­тать с мно­го­за­дач­но­стью в язы­ке Erlang. В этом при­ме­ре мы из основ­но­го про­цес­са соз­да­дим ра­бо­чий про­цесс и бу­дем взаи­мо­дей­ст­во­вать с ним при по­мо­щи со­об­щений. Да­вай­те рас­смот­рим сна­ча­ла функ­цию (вы­пол­няе­мую за­да­чу) ра­бо­че­го про­цес­са example_worker/1:

example_worker(Master) ->

receive

{ping, From } ->

io:format(“ping from master ~n”),

From ! {pong, self()},

example_worker(Master);

_Other ->

io:format(“unknown message ~n”),

example_worker(Master)

after 1000 ->

io:format(“timeout ~n”),

erlang:send(Master, timeout)

end.

Эта функ­ция со­дер­жит вы­ра­жение для по­лу­чения со­об­щений receive. Dы­ра­жение receive уме­ет по­лу­чать со­об­щения ви­да {ping, From}, где From – лю­бой объ­ект язы­ка Erlang (мы на­де­ем­ся, что From – это иден­ти­фи­ка­тор про­цес­са от­пра­ви­те­ля, но при необ­хо­ди­мости это мо­жно про­ве­рить яв­но при по­мо­щи BIF is_pid/1) и все осталь­ные со­об­щения. Обыч­но все осталь­ные со­об­щения (т. е. со­об­щения, не под­па­даю­щие ни под один дру­гой кри­те­рий) по­лу­ча­ют для то­го, что­бы эти «му­сор­ные» со­об­щения не на­ка­п­ли­ва­лись в оче­ре­ди со­об­щения про­цес­са. Кро­ме то­го, вы­ра­жение receive со­дер­жит сек­цию after, ко­то­рая за­да­ет мак­си­маль­ное вре­мя ожи­дания в 1000 мил­ли­се­кунд.

При по­лу­чении лю­бо­го со­об­щения мы вы­во­дим ин­фор­ма­цию на эк­ран и, при по­мо­щи хво­сто­вой ре­кур­сии, за­цик­ли­ва­ем вы­полнение функ­ции example_worker/1. Та­ким об­ра­зом, функ­ция example_worker/1 яв­ля­ет­ся функ­ци­ей об­ра­бот­ки со­об­щений. Кро­ме то­го, при по­лу­чении со­об­щения {ping, From} мы от­сы­ла­ем про­цес­су, по­слав­ше­му нам это со­об­щение, со­об­щение {pong, self()}. BIF self/0 воз­вра­ща­ет иден­ти­фи­ка­тор те­ку­ще­го про­цес­са, но у нас нет ника­ко­го спо­со­ба уз­нать иден­ти­фи­ка­тор про­цес­са, по­слав­ше­го нам со­об­щение, кро­ме как вклю­чить этот иден­ти­фи­ка­тор в са­мо со­об­щение. Имен­но этого мы ожи­да­ем при по­лу­чении со­об­щения {ping, From}, и имен­но это мы де­ла­ем, когда от­сы­ла­ем со­об­щение {pong, self()}.

И, на­конец, при на­сту­п­лении тай­мау­та в вы­ра­жении receive мы от­сы­ла­ем со­об­щение timeout глав­но­му про­цес­су при по­мо­щи функ­ции erlang:send/2 (для де­мон­ст­ра­ции та­кой воз­мож­но­сти) и об­ры­ва­ем цикл об­ра­бот­ки со­об­щений.

Те­перь да­вай­те взгля­нем на функ­цию глав­но­го про­цес­са example/0:

example() ->

Master = self(),

Worker = spawn(fun() -> example_worker(Master) end),

Worker ! hello,

Worker ! {ping, Master},

Worker ! hi,

receive

timeout -> io:format(“timeout in worker ~n”)

end,

receive

{pong, Worker} -> io:format(“pong from worker ~n”)

end.

В этой функ­ции мы соз­да­ем ра­бо­чий про­цесс (при по­мо­щи BIF spawn/1, ко­то­рая воз­вра­ща­ет иден­ти­фи­ка­тор соз­дан­но­го про­цес­са), по­сле че­го по­сы­ла­ем ра­бо­че­му про­цес­су ряд со­об­щений. Сре­ди этих со­об­щений на­хо­дит­ся как из­вест­ное ра­бо­че­му про­цес­су со­об­щение {ping, Master}, так и неиз­вест­ные hello и hi. По­сле это­го, при по­мо­щи вы­ра­жений receive, мы принима­ем со­об­щения от ра­бо­че­го по­то­ка. За­меть­те, что принимать со­об­щения мы мо­жем в лю­бом по­ряд­ке, а не в том, в ко­то­ром они бы­ли по­сла­ны. Ес­ли мы за­пустим на вы­полнение функ­цию example/0 (соз­дав мо­дуль с экс­пор­ти­руе­мой функ­ци­ей example/0), то мы по­лу­чим сле­дую­щий вы­вод в кон­со­ли сре­ды вы­полнения Erlang:

unknown message

ping from master

unknown message

timeout

timeout from worker

pong from worker

Мы се­го­дня сде­ла­ли пер­вый, но очень важ­ный шаг в сто­ро­ну мно­го­за­дач­но­сти в язы­ке Erlang. На­пи­сание мно­го­за­дач­ных про­грамм – доста­точ­но слож­ная об­ласть, как в плане ал­го­рит­мов, так и в плане техниче­­ских средств. Язык Erlang по­зво­ля­ет снять слож­ность техниче­­ско­­го пла­на и по­зво­ля­ет нам со­сре­до­то­чить­ся толь­ко на со­от­вет­ст­вую­щих мно­го­за­дач­ных ал­го­рит­мах. Мы это уви­де­ли се­го­дня (пускай это бы­ло не очень оче­вид­но), мы это уви­дим еще не раз. А на сле­дую­щем уро­ке мы по­го­во­рим о сред­ст­вах для соз­дания устой­чи­вых к ошиб­кам про­грамм. |