Java并发 -- CSP模型

Go

  1. Go是一门号称从语言层面支持并发的编程语言,支持并发也是Go非常重要的特性之一
  2. Go支持协程,协程可以类比Java中的线程,解决并发问题的难点在于线程(协程)之间的协作
  3. Go提供了两种方案
    • 支持协程之间以共享内存的方式通信,Go提供了管程原子类来对协程进行同步控制,该方案与Java类似
    • 支持协程之间以消息传递的方式通信,本质上是要避免共享,该方案是基于CSP模型实现的,Go推荐该方案

CSP模型

  1. CSP:Communicating Sequential Processes
  2. Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.

累加器

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package main

import (
"fmt"
"time"
)

func main() {
singleCoroutine()
multiCoroutine()
}

// 单协程,只能用到CPU的一个核
func singleCoroutine() {
var result, i uint64
start := time.Now()
for i = 1; i <= 10000000000; i++ {
result += i
}
elapsed := time.Since(start)
fmt.Println(elapsed, result) // 4.330357206s 13106511857580896768
}

// 多协程
func multiCoroutine() {
var result uint64
start := time.Now()
ch1 := calc(1, 2500000000)
ch2 := calc(2500000001, 5000000000)
ch3 := calc(5000000001, 7500000000)
ch4 := calc(7500000001, 10000000000)
// 主协程需要与子协程通信,Go中协程之间的通信推荐使用channel
result = <-ch1 + <-ch2 + <-ch3 + <-ch4
// ch1只能读取数据,如果通过ch1写入数据,编译时会报错
// ch1 <- 7 // invalid operation: ch1 <- 7 (send to receive-only type <-chan uint64)
elapsed := time.Since(start)
fmt.Println(elapsed, result) // 1.830920702s 13106511857580896768
}

// 返回一个只能接收数据的channel
// 方法创建的子协程会把计算结果发送到这个channel,而主协程会通过channel把计算结果取出来
func calc(from uint64, to uint64) <-chan uint64 {
// channel用于协程间的通信,这是一个无缓冲的channel
channel := make(chan uint64)
go func() {
result := from
for i := from + 1; i <= to; i++ {
result += i
}
// 将结果写入channel
channel <- result
}()
// 返回用于通信的channel
return channel
}

生产者-消费者模式

  1. 可以把Go实现的CSP模式类比成生产者-消费者模式,而channel类比成生产者-消费者模式中的阻塞队列
  2. Go中channel的容量可以为0,容量为0的channel被称为无缓冲的channel,容量大于0的channel被称为有缓冲的channel
  3. 无缓冲的channel类似于Java中提供的SynchronousQueue,主要用途是在两个协程之间做数据交换
  4. Go中的channel是语言层面支持的,使用左向箭头<-完成向channel发送数据读取数据的任务
  5. Go中的channel是支持双向传输的,即一个协程既可以通过它发送数据,也可以通过它接收数据
  6. Go中的双向channel可以变成一个单向channel
    • calc中创建了一个双向channel,但是返回的是一个只能接收数据的单向channel
    • 所以在主协程中,只能通过该channel接收数据,而不能通过它发送数据
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// 创建一个容量为4的channel
channel := make(chan int, 4)

// 创建4个协程,作为生产者
for i := 0; i < 4; i++ {
go func() {
channel <- 7
}()
}

// 创建4个协程,作为消费者
for i := 0; i < 4; i++ {
go func() {
o := <-channel
fmt.Println("received : ", o)
}()
}

Actor模式

  1. Go实现的CSP模式和Actor模式都是通过消息传递的方式来避免共享,主要有以下三个区别
  2. Actor模型中没有channel,Actor模型中的Mailbox与channel非常类似,看起来都是FIFO队列,但本质区别很大
    • Actor模型
      • Mailbox对程序员是透明的,Mailbox明确归属于某一个特定的Actor,是Actor模型的内部机制
      • Actor之间可以直接通信,不需要通信媒介
    • CSP模型
      • channel对于程序员来说是可见
      • channel是通信媒介,传递的消息都直接发送到channel中
  3. Actor模型中发送消息是非阻塞的,而CSP模型中是阻塞
    • Go实现的CSP模型,channel是一个阻塞队列
    • 当阻塞队列已满的时候,向channel发送数据,会导致发送消息的协程阻塞
  4. Actor模型理论上不保证消息百分比送达,而Go实现的CSP模型中,是能保证消息百分百送达的(代价:可能导致死锁
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func main() {
// 无缓冲的channel
channel := make(chan int)
// fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!
// 主协程会阻塞在此处,发生死锁
<-channel
}

小结

  1. CSP模型是Tony Hoare在1978年提出的,该模型一直都在发展,其理论远比Go实现的复杂得多
    • Tony Hoare在并发领域还有另一项重要成就,即霍尔管程模型,这是Java解决并发问题的理论基础
  2. Java可以借助第三方类库JCSP来支持CSP模型,相比Go的实现,JCSP更接近理论模型
    • JCSP并没有经过广泛的生产环境检验,因此不推荐在生产环境使用
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