Искусство программирования для Unix - Эрик Реймонд

Параллельные процессы являются источником ошибок, поскольку они могут чрезмерно просто получить слишком много сведений о внутренних состояниях друг друга. Не существует автоматической инкапсуляции, как это было бы между процессами с обособленными адресными пространствами, которые для обмена данными должны явно использовать IPC-методы. Таким образом, программы, разделенные на параллельные процессы, страдают не только от обычных проблем, связанных с конфликтами, но и от целых новых категорий ошибок, зависимых от синхронизации, которые крайне трудны даже для воспроизведения, не говоря об их устранении.

Разработчики параллельных процессов "сопротивляются" данной проблеме. Недавние реализации и стандарты демонстрируют возрастающей интерес к обеспечению локальной памяти процесса, которая предназначена для ограничения проблем, возникающих из-за совместного использования глобального адресного пространства. По мере того как API-интерфейсы двигаются в данном направлении, программирование с использованием параллельных процессов начинает все более походить на управляемое использование общей памяти.

Параллельные процессы часто препятствуют абстракции. В целях предотвращения взаимоблокировки часто требуется знать, используются ли в применяемой библиотеке параллельные процессы, чтобы избежать проблем взаимоблокировок, и если да, то как. Подобным образом на использование параллельных процессов в библиотеке могло бы воздействовать использование параллельных процессов на уровне приложения.

В дополнение к вышесказанному, использование параллельной обработки приводит к снижению производительности, что, конечно же, умаляет ее преимущества по сравнению с традиционным разделением процессов. Хотя параллельная обработка может "избавиться" от некоторых издержек быстрого переключения контекста процессов, блокировка общих структур данных с целью предотвратить пересечение параллельных процессов, может быть такой же дорогостоящей.

X-сервер, способный выполнять буквально миллионы операций в секунду, не разделяется на параллельные процессы. В нем используется цикл poll/select. Многочисленные усилия создать мультипроцессную реализацию привели к негативным результатам. Цена блокировки и разблокировки становится слишком высокой для систем настолько же чувствительных к производительности, насколько чувствительны к ней графические серверы.

Данная проблема является фундаментальной и продолжает оставаться спорной в проектировании ядер Unix для симметричной многопроцессорной обработки. По мере того как блокировка ресурсов становится все более точной, задержка ввиду издержек блокировки может довольно быстро превысить преимущества от блокировки меньшего объема оперативной памяти.

Одна из трудностей, связанных с параллельными процессами, заключается в том, что стандарты данной технологии до середины 2003 года оставались слабыми и недоопределенными. Теоретически согласующиеся библиотеки для таких Unix-стандартов, как POSIX (1003.1с) могут, тем не менее, проявить опасные различия при функционировании на различных платформах, особенно в аспекте сигналов, взаимодействия с остальными методами IPC и времени освобождения ресурсов. Операционные системы Windows и классическая MacOS обладают собственными моделями параллельной обработки и средствами прерывания, которые очень отличаются от имеющихся в Unix и часто требуют значительных усилий при переносе даже простых конструкций. Вследствие этого рассчитывать на переносимость программ, использующих параллельные процессы, не приходится.

Более широкое обсуждение данного вопроса представлено в статье "Why Threads Are a Bad Idea" [59].

7.4. Разделение процессов на уровне проектирования

Рассмотрим конкретные рекомендации по использованию описанных выше методов.

Прежде всего, необходимо отметить, что временные файлы, более интерактивный способ связи главного/подчиненного процессов, сокеты, RPC и все остальные методы двунаправленного межпроцессного взаимодействия являются эквивалентными на некотором уровне — все они представляют собой только способы обмена данными во время работы программ. Большую часть из того, что делается сложным способом с использованием сокетов или общей памяти, можно было бы реализовать примитивным путем, используя временные файлы в качестве почтовых ящиков и сигналы для доставки уведомлений. Отличия сосредоточены на границах и состоят в том, как программы устанавливают соединения, где и когда выполняется маршалинг и демаршалинг сообщений, какого рода проблемы буферизации могут возникнуть и каковы элементарные гарантии, получаемые с помощью сообщений (т.е. до какой степени можно быть уверенным, что результат одной операции отправки с одной стороны отразится в виде одного события получения на другой стороне).

При рассмотрении PostgreSQL было отмечено, что эффективным способом сдерживания сложности является разделение приложения на пару "клиент-сервер". Клиент и сервер PostgreSQL сообщаются посредством протокола прикладного уровня через сокеты, однако в модели проектирования изменилось бы очень немногое, если бы они использовали любой другой двунаправленный IPC-метод.

Данный вид разделения является особенно эффективным в ситуациях, когда множество экземпляров приложения должны управлять доступом к ресурсам, которые используются ими совместно. Управлять всем распределением ресурсов может один серверный процесс, или каждый из взаимодействующих равноправных процессов может принимать ответственность за некоторый критический ресурс.

Клиент-серверное разделение может также способствовать распределению приложений, интенсивно использующих ресурсы процессора, среди множества узлов. Или такое разделение может сделать их пригодными для распределенных вычислений через Internet (как в случае с игрой Freeciv). Связанная с этим модель CLI-сервера рассматривается в главе 11.

Поскольку все эти равноправные IPC-методики являются на некотором уровне идентичными, следует оценивать их главным образом по величине издержек программной сложности, которые они создают, а также по степени непрозрачности, вносимой ими в разрабатываемые конструкции. Именно поэтому в конечном итоге BSD-сокеты опередили остальные IPC-методы Unix, а RPC-методы не смогли привлечь к себе значительный интерес.

Параллельные процессы имеют фундаментальные отличия. Вместо поддержки взаимодействия между различными программами, они поддерживают некий вид разделения времени внутри экземпляра одной программы. Вместо того чтобы быть способом разделения большой программы на мелкие с более простым поведением, параллельная обработка является строго средством повышения производительности, и поэтому имеет все связанные с этим проблемы, а также ряд собственных.

Соответственно, несмотря на то, что проектировщикам следует искать пути разделения крупных программ на более простые взаимодействующие процессы, использование параллельной обработки внутри процессов должно быть скорее последним средством, чем первым. Часто обнаруживается, что их использования можно избежать. Если вместо параллельных процессов можно использовать ограниченную общую память и семафоры, асинхронные I/O-операции с использованием SIGIO или цикл poll(2)/select(2), то такой возможностью следует воспользоваться. Поддерживайте простоту; используйте менее сложные методики.

Комбинация параллельных процессов, интерфейсов удаленного вызова процедур и тяжеловесного объектно-ориентированного дизайна является особенно опасной. Расчетливое и изящное применение любого из этих технических приемов может оказаться весьма полезным, но от проектов, где предполагается использовать все три, следует решительно отказаться.

Ранее уже отмечалось, что программирование в реальном мире направлено на управление сложностью и инструменты для управления сложностью очень полезны. Но когда эффект от их применения заключается в распространении сложности, а не в управлении ею, то лучше будет отказаться от них и начать проект с нуля. Никогда не забывайте об этом.

8

Мини-языки: поиск выразительной нотации

Хорошая нотация обладает тонкостью и выразительностью, которая со временем делает ее почти похожей на живого учителя.

Одним из самых последовательных результатов крупномасштабных исследований ошибок в программировании является то, что уровень ошибок программиста, выраженный в количестве дефектов на 100 строк кода, почти не зависит от языка, на котором написана программа[76]. Высокоуровневые языки, которые позволяют добиться больших результатов, используя меньшее количество строк, также означают меньшее количество ошибок.