庄周梦蝶

生活、程序、未来
   :: 首页 ::  ::  :: 聚合  :: 管理

Clojure的并发(一) Ref和STM

Posted on 2010-07-14 02:34 dennis 阅读(7323) 评论(8)  编辑  收藏 所属分类: 动态语言javaClojure

Clojure 的并发(一) Ref和STM
Clojure 的并发(二)Write Skew分析
Clojure 的并发(三)Atom、缓存和性能
Clojure 的并发(四)Agent深入分析和Actor
Clojure 的并发(五)binding和let
Clojure的并发(六)Agent可以改进的地方
Clojure的并发(七)pmap、pvalues和pcalls
Clojure的并发(八)future、promise和线程

    Clojure处理并发的思路与众不同,采用的是所谓STM的模型——软事务内存。你可以将STM想象成数据库,只不过是内存型的,它只支持事务的ACI,也就是原子性、一致性、隔离性,但是不包括持久性,因为状态的保存都在内存里。

    Clojure的并发API分为四种模型:
1、管理协作式、同步修改可变状态的Ref
2、管理非协作式、同步修改可变状态的Atom
3、管理异步修改可变状态的Agent
4、管理Thread local变量的Var。

    下面将对这四部分作更详细的介绍。

一、Ref和STM

 1、ref:

通过ref函数创建一个可变的引用(reference),指向一个不可变的对象:
(ref x)

例子:创建一个歌曲集合:
(def song (ref #{}))

2、deref和@:
 取引用的内容,解引用使用deref函数
(deref song)

也可以用reader宏@:
@song

3、ref-set和dosync:


改变引用指向的内容,使用ref-set函数
(ref-set ref new-value)

如,我们设置新的歌曲集合,加入一首歌:
(ref-set song #{"Dangerous"})
但是这样会报错:
java.lang.IllegalStateException: No transaction running (NO_SOURCE_FILE:0)

这是因为引用是可变的,对状态的更新需要进行保护,传统语言的话可能采用锁,Clojure是采用事务,将更新包装到事务里,这是通过dosync实现的:
(dosync (ref-set song #{"Dangerous"}))

dosync的参数接受多个表达式,这些表达式将被包装在一个事务里,事务支持ACI:
(1)Atomic,如果你在事务里更新多个Ref,那么这些更新对事务外部来说是一个独立的操作。
(2)Consistent,Ref的更新可以设置 validator,如果某个验证失败,整个事务将回滚。
(3)Isolated,运行中的事务无法看到其他事务部分完成的结果。

dosync更新多个Ref,假设我们还有个演唱者Ref,同时更新歌曲集合和演唱者集合:
(def singer (ref #{}))
(dosync (ref
-set song #{"Dangerous"})
               (ref
-set singer #{"MJ"}) )

@song      
=>  #{"Dangerous"}
@singer    
=>  #{"MJ"}

4、alter:
完全更新整个引用的值还是比较少见,更常见的更新是根据当前状态更新,例如我们向歌曲集合添加一个歌曲,步骤大概是先查询集合内容,然后往集合里添加歌曲,然后更新整个集合:
(dosync (ref-set song (conj @song "heal the world")))

查询并更新的操作可以合成一步,这是通过alter函数:
(alter ref update-fn & args)

alter接收一个更新的函数,函数将在更新的时候调用,传入当前状态值并返回新的状态值,因此上面的例子可以改写为:
 (dosync (alter song conj "heal the world"))

这里使用conj而非cons是因为conj接收的第一个参数是集合,也就是当前状态值,而cons要求第一个参数是将要加入的元素。

5、commute:
  commute函数是alter的变形,commute顾名思义就是要求update-function是可交换的,它的顺序是可以任意排序。commute的允许的并发程度比alter更高一些,因此性能会更好。但是由于commute要求update-function是可交换的,并且会自动重排序,因此如果你的更新要求顺序性,那么commute是不能接受的,commute仅可用在对顺序性没有要求或者要求很低的场景:例如更新聊天窗口的聊天信息,由于网络延迟的因素和个人介入的因素,聊天信息可以认为是天然排序,因此使用commute还可以接受,更新乱序的可能性很低。
  另一个例子就不能使用commute了,如实现一个计数器:
(def counter (ref 0))

  实现一个next-counter函数获取计数器的下一个值,我们先使用commute实现:
(defn next-counter [] (dosync (commute counter inc)))

   这个函数很简单,每次调用inc递增counter的值,接下来写个测试用例:启动50个线程并发去获取next counter:
(dotimes [_ 50] (.start (Thread. #(println (next-counter)))))
  
   这段代码稍微解释下,dotimes是重复执行50次,每次启动new并启动一个Thread,这个Thread里干了两件事情:调用next-counter,打印调用结果,第一个版本的next-counter执行下,这是其中一次输出的截取:
23
23
23

23
23
23
23
23
23
23
23
23
28
23
21
23
23
23
23
25
28

可以看到有很多的重复数值,这是由于重排序导致事务结束后的值不同,但是你查看counter,确实是50:
@counter  => 50

证明更新是没有问题的,问题出在commute的返回值上。

如果将next-counter修改为alter实现:
(defn next-counter [] (dosync (alter counter inc)))

此时再执行测试用例,可以发现打印结果完全正确了:
……
39
41
42
45
27
46
47
44
48
43
49
40
50

查看counter,也是正确更新到50了:
@counter => 50

最佳实践:通常情况下,你应该优先使用alter,除非在遇到明显的性能瓶颈并且对顺序不是那么关心的时候,可以考虑用commute替换。

6、validator:
   类似数据库,你也可以为Ref添加“约束”,在数据更新的时候需要通过validator函数的验证,如果验证不通过,整个事务将回滚。添加validator是通过ref函数传入metadata的map实现的,例如我们要求歌曲集合添加的歌曲名称不能为空:
(def validate-song
     (partial every? #(not (nil?
%))))

(def song (ref #{} :validator validate
-song))

validate-song是一个验证函数,partial返回某个函数的半函数(固定了部分参数,部分参数没固定),你可以将partial理解成currying,虽然还是不同的。validate-song调用every?来验证集合内的所有元素都不是nil,其中#(not (nil? %))是一个匿名函数,%指向匿名函数的第一个参数,也就是集合的每个元素。ref指定了validator为validate-song,那么在每次更新song集合的时候都会将新的状态传入validator函数里验证一下,如果返回false,整个事务将回滚:

(dosync (alter song conj nil))
java.lang.IllegalStateException: Invalid reference state (NO_SOURCE_FILE:
0)

更新失败,非法的reference状态,查看song果然还是空的:
@song => #{}

更新正常的值就没有问题:
 (dosync (alter song conj "dangerous"))   => #{"dangerous"}

   
7、ensure:

  ensure函数是为了保护Ref不会被其他事务所修改,它的主要目的是为了防止所谓的“写偏序”(write skew)问题。写偏序问题的产生跟STM的实现有关,clojure的STM实现是基于MVCC(Multiversion Concurrency Control)——多版本并发控制,对一个Ref保存多个版本的状态值,在更新的时候取得当前状态值的一个隔离的snapshot,更新是基于snapshot进行的。那么我们来看下写偏序是怎么产生,以一个比喻来描述:
  想象有一个系统用于管理美国最神秘的军事禁区——51区的安全巡逻,你有3个营的士兵,每个营45个士兵,并且你需要保证总体巡逻的士兵人数不能少于100个人。假设有一天,有两个指挥官都登录了这个管理系统,他们都想从某个军营里抽走20个士兵,假设指挥官A想从1号军营抽走,指挥官B想要从2号军营抽走士兵,他们同时执行下列操作:
Admin 1if ((G1 - 20+ G2 + G3) > 100 then dispatchPatrol

Admin 
2if (G1 + (G2 - 20+ G3) > 100 then dispatchPatrol

我们刚才提到,Clojure的更新是基于隔离的snapshot,一个事务的更改无法看到另一个事务更改了部分的结果,因此这两个操作都因为满足(45-20)+45+45=115的约束而得到执行,导致实际抽调走了40个士兵,只剩下95个士兵,低于设定的安全标准100人,这就是写偏序现象。
  写偏序的解决就很简单,在执行抽调前加入ensure即可保护ref不被其他事务所修改。ensure比(ref-set ref @ref)允许的并发程度更高一些。


Ref和STM的介绍暂时到这里,原理和源码的解析要留待下一篇文章了。




评论

# re: Clojure的并发(一) Ref和STM  回复  更多评论   

2010-07-14 19:09 by clojans
楼主高手呀!
但4个模型前要加个"管理"形容词呢?不是只有ref才是协调管理的吗?

# re: Clojure的并发(一) Ref和STM  回复  更多评论   

2010-07-14 19:10 by clojans
楼主高手呀!
但4个模型前为什么要加个"管理"形容词呢?不是只有ref才是协调管理的吗?

--1 Lou写错了:-(

# re: Clojure的并发(一) Ref和STM  回复  更多评论   

2010-07-14 19:12 by nmb
楼主晚上不睡觉吗?

# re: Clojure的并发(一) Ref和STM  回复  更多评论   

2010-07-14 20:30 by dennis
@clojans
非形容词,而是动词

# re: Clojure的并发(一) Ref和STM  回复  更多评论   

2011-08-19 13:42 by sw2wolf
不错! 加深我对HASKELL相关概念的理解

# re: Clojure的并发(一) Ref和STM  回复  更多评论   

2013-09-25 13:14 by paomian
庄庄我爱你!

# re: Clojure的并发(一) Ref和STM  回复  更多评论   

2014-03-26 13:11 by flyfoxs
commute 会导致执行修改ref的函数执行2次. 这样设计的目的是为什么,难道这2次执行又一次不是多余的吗?

# re: Clojure的并发(一) Ref和STM[未登录]  回复  更多评论   

2014-07-04 18:11 by sure
commute 重排序的到底是什么?

只有注册用户登录后才能发表评论。


网站导航: