协程,异步式编程以及ReactiveX

上半年主要在忙写书的事情,下半年由于工作有点忙以及自己犯懒没有写博客。不过个人还是在持续学习,接下来是个人关于协程等的学习的一个小结。

严格来说协程不是一个新名词,但是因为Golang变得很火。很多博客从进程-线程-协程模型讲Golang如何高效,比那些没有协程的对手,比如Java好不知道到哪里去。先不管这种想法有点偏颇,个人想从协程想要解决什么问题开始,分析各种语言如何解决这些问题,来更深入地了解现代编程。

协程可以解决什么问题?首先三层调度模型(进程-线程-协程)中协程属于用户态任务调度,原先程序用线程来考虑问题,现在用任务粒度。程序怎么划分任务可以由程序员指定,也可以在特定的地方划分,比如IO操作。

IO操作相比计算型操作不怎么需要计算型资源,所以在等待IO操作返回时CPU资源是被“浪费”掉的。其次,非阻塞型IO的出现,使得编程方式发生了很大的变化。当你在考虑用额外的线程来处理IO阻塞时,非阻塞型IO可以少用额外的线程,只需要等待完成事件。

问题是“等待完成事件”对很多人来说个全新的东西,你可能需要一个轮询IO事件的selector(典型的reactor)以及相应的基于事件(event)编程的模式。你可以在JavaScript的运行时中看到这种模式。一般来说,语言层通过callback绑定后续操作。如果你有多个IO操作的话,你可能会写出callback嵌套callback的代码(或称callback hell)。JavaScript针对callback hell的解决方案是Promise,以及之后的aysnc/await。Promise允许链式callback,async/await允许用近似同步的方式编写异步的代码。

不管你是否感觉到,但是async/await确实做了类似协程的事情。

注意,JavaScript由于是单线程模型,本身又有event loop,在实现async/await时并不需要对运行模型进行修改。其他语言想要实现async/await的话,除了语法层面,运行层也需要修改(在Erlang和Golang中,使用的协程运行时是一个“多线程版本的event loop”:work-stealing thread pool)。

小结一下,协程可以用于解决异步IO的callback hell问题。事实上,个人认为这是协程的优势。对于同样使用异步IO的程序来说,使不使用协程在性能上没有太大差距,但是用协程写法上会简单很多。至于Golang中使用go块开启协程的写法,个人认为是线程运行模式的补偿。比如你有一个非IO的长期计算任务,你没有IO操作的切入点和结束点,必须由程序员指明(用go关键字。BTW,因为这种任务的存在,协程运行时必须使用work stealing thread pool,否则被放到这个线程末尾的任务很长时间内不会被执行到)。

虽然协程可以简化异步IO调用,但是存在一些问题无法直接解决。比如说,我希望同时执行IO调用1,IO操作2并等待两个结果返回。如果你使用顺序IO操作1,IO操作2写的话,实际执行不会是并行的。在JavaScript下,你需要退回Promise并使用特定的API Promise.all。在Golang下,你需要主动开启两个go块执行IO操作,然后使用channel获取结果。

个人认为这其实显示了基于协程编程的脆弱性,一旦遇到不是简单的单次IO操作的场景,复杂性就会显现。又比如说,执行一个操作,你希望设置一个超时时间,在Golang中你必须同时使用channel/select,外加一个timer才能实现。相对的,同步编程下只需要在参数里加一个timeout。

可以看到,这里的复杂性其实是异步编程,或者说多线程编程的复杂性。JavaScript由于不是多线程,可以干脆放弃async/await的写法回归Promise+链式callback的做法。Golang使用了CSP编程的核心要素channel来处理多线程编程(BTW,Golang的channel可以与协程整合在一起)。

从个人角度来说,JavaScript的做法可能更好:假如你没法用协程了,那就退一步用不那么直接但是足够简单的方式,而不是退十步,用通用(即CSP)的方式。Golang很多人说简洁,但是由于其设计目标(比如工程化),只对基本的场景做了对应,剩下的场景就显得很简陋(C语言风格)。

除去Promise.all这种专用API之外,其他语言和框架中比较容易理解的,个人觉得是ReactiveX的zip,比如如下代码

这里没有暴露出任何和多线程相关的信息,但是可以达到同时执行的效果。进一步,假如你需要同时执行多个操作,只要有一个返回结果了就结束,在JavaScript、Golang和ReactiveX中你可以考虑下分别该怎么做(一个提示是,ReactiveX可以用amb替换zip)。

你可以把ReactiveX的subscribe当作JavaScript的callback,它会在获取到结果后被执行。和JavaScript的event loop不同,ReactiveX在多线程环境下执行时,subscribe的代码可能会在操作线程中执行。这对于Android开发来说可能会有问题(不能在GUI线程之外修改GUI元素),但是你可以通过简单增加一行observeOn(xxx)来解决这个问题。

注意,ReactiveX的数据流模型是一种PUSH模型,即数据流负责提交数据,触发下游操作。这某种程度和协程结束触发后续代码很像。其次ReactiveX允许你使用函数式语言的方式处理错误,集中精力在核心处理代码上。

当然ReactiveX不是万能的,在多线程编程方面,ReactiveX只能提供有限的帮助。更多的时候,你仍旧需要使用各种针对多线程处理的工具。以及,多种编程范式有助于你用各种高效的方法来解决问题,比如说Kotlin既有协程,也有async/await,也有ReactiveX的实现,当然你也可以用传统线程。个人认为这是现代编程对于愈来愈复杂的问题的解决方案,相应地这也需要程序员对语言使用对问题分析有足够的能力。

最后,以一句个人最近看到的话结尾“协程的本质是异步编程”。假如你能看到协程所要解决的问题,以及了解如何解决这些问题,那么相信你的学识会让你比其他人有更多手段和方法来更好地解决问题。