網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)中的并發(fā)復(fù)雜性

計(jì) 然

福建師范大學(xué)協(xié)和學(xué)院信息技術(shù)系，福建福州 350108

網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)中的并發(fā)復(fù)雜性

計(jì) 然

福建師范大學(xué)協(xié)和學(xué)院信息技術(shù)系，福建福州 350108

基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序與基于單人PC的應(yīng)用程序有著很大的不同，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)于網(wǎng)絡(luò)程序的影響巨大。在網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)過程中遇到的各種困難里，由于并發(fā)帶來的問題是一個(gè)到現(xiàn)在都沒有徹底解決的問題，并發(fā)問題的存在使網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)遇到了一個(gè)難題。本文將介紹一些并發(fā)處理模型，并分析其復(fù)雜性。

網(wǎng)絡(luò)程序；并發(fā)；復(fù)雜性

1 網(wǎng)絡(luò)程序的并發(fā)性問題描述

并發(fā)為宏觀上的并行，微觀上的串行，與在單核處理器的單人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行多線程類似，其本質(zhì)上與微觀下同為并行的“并行”并不相同。雖然并發(fā)與并行有許多相似之處，但是其處理方法并不相同。并發(fā)性問題的處理，不僅對(duì)單機(jī)有意義，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序同樣具有重大的意義。最初的并發(fā)性問題來源于操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)中遇到的并發(fā)性問題與操作系統(tǒng)的并發(fā)性其有相似之處，其理念是通用的。在并發(fā)性問題的處理上，有不同的管理方法與理念，盡管人們?cè)谶@個(gè)問題上研究了數(shù)十年，但是現(xiàn)今也沒有研究出一種方法能夠做到讓大多數(shù)人滿意，現(xiàn)有的主流并發(fā)模型依然是以往的基于事件的驅(qū)動(dòng)模型以及多線程模型，這兩種模型各自有各自的特點(diǎn)，在不同的環(huán)境下能夠發(fā)揮的性能也不同，并不存在一個(gè)模型一定優(yōu)于另一個(gè)模型的情況。模型的使用需要根據(jù)環(huán)境而定，而后又出現(xiàn)了一種混合模型。

2 基于事件的驅(qū)動(dòng)并發(fā)模型

當(dāng)前的計(jì)算機(jī)基本上使用的都是馮.諾依曼計(jì)算機(jī)模型，除了此模型之外還存在著依靠其他信息進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)模型，而事件驅(qū)動(dòng)的并發(fā)模型就有些類似數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)模型。使用事件驅(qū)動(dòng)在網(wǎng)絡(luò)程序中的應(yīng)用非常廣泛，按照操作調(diào)配時(shí)機(jī)不同，可以分為反應(yīng)式與前攝式。反應(yīng)式為在當(dāng)需要數(shù)據(jù)滿足條件是再進(jìn)行操作，而前攝式是先操作后等待事件的完成。在使用事件驅(qū)動(dòng)的并發(fā)模型中，事件狀態(tài)的維護(hù)以及函數(shù)間關(guān)系維護(hù)以及函數(shù)運(yùn)行時(shí)機(jī)的處理都是由事件分派器進(jìn)行處理完成的，函數(shù)與函數(shù)之間的通信很多時(shí)候是通過事件來完成的，而事件的維護(hù)是由事件分派器進(jìn)行的。所以在函數(shù)完成其特定操作后必須交出CPU控制權(quán)，并由事件分派器進(jìn)行下一步的處理，并依據(jù)次事件繼續(xù)程序的運(yùn)行調(diào)度，形成了控制流反轉(zhuǎn)。如上所訴，基于事件驅(qū)動(dòng)的任務(wù)之間的關(guān)系需要經(jīng)過底層的事件分派器的處理，那么就需要對(duì)函數(shù)進(jìn)行拆分，又引發(fā)了函數(shù)分裂問題。如果處理不當(dāng)，大量的函數(shù)分裂不但會(huì)影響程序的調(diào)試難度（調(diào)試器是不會(huì)理解一個(gè)事件所代表的含義的），還有可能造成內(nèi)存泄露等問題。事件驅(qū)動(dòng)的函數(shù)的被調(diào)用需要其調(diào)用者也是基于事件驅(qū)動(dòng)的函數(shù)，而基于事件驅(qū)動(dòng)函數(shù)就需要進(jìn)行函數(shù)分裂，大量的被迫函數(shù)分裂無疑會(huì)使函數(shù)內(nèi)部細(xì)節(jié)暴露在外，無益于函數(shù)的封裝，降低了模塊的復(fù)用性。

3 多線程的并發(fā)模型

在多線程并發(fā)模型中，線程的調(diào)度可以劃分為兩種，一種是搶占式，另一種是協(xié)作式。有系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)線程進(jìn)行調(diào)度管理的屬于搶占式，線程的運(yùn)行與否不由應(yīng)用層控制，而協(xié)作式主要是用應(yīng)用層協(xié)作方式運(yùn)行任務(wù)線程。因?yàn)橹鴥煞N調(diào)度方法的不同，其表現(xiàn)出來的特征以及衍生的問題也具有明顯的差異。

在搶占式調(diào)度中，CPU的控制權(quán)在調(diào)度器的管理之下，調(diào)度器不會(huì)了解當(dāng)前線程執(zhí)行的詳細(xì)情況，調(diào)度器對(duì)線程的調(diào)度是強(qiáng)制性的，也就是說調(diào)度器可能在一個(gè)不應(yīng)該暫停線程的時(shí)候?qū)PU的控制權(quán)強(qiáng)行轉(zhuǎn)移給了另外的一個(gè)線程。這樣做的后果是極有可能當(dāng)前線程需要的數(shù)據(jù)上一個(gè)線程沒有處理妥當(dāng)，造成數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)，嚴(yán)重的會(huì)帶來死鎖問題，致使程序崩潰。而協(xié)作式多線程調(diào)度在CPU的控制權(quán)方面明顯優(yōu)于搶占式調(diào)度，協(xié)作式調(diào)度中，CPU的控制權(quán)只有當(dāng)當(dāng)前線程放棄時(shí)才轉(zhuǎn)移到其他線程，這種調(diào)度方法可以更好的利用處理器的并行能力，協(xié)作式調(diào)度表現(xiàn)出的問題是實(shí)時(shí)性不如搶占式，在對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)中，搶占式對(duì)協(xié)作式有一定的優(yōu)勢(shì)。多線程并發(fā)模型相對(duì)于事件驅(qū)動(dòng)模型的問題是靈活性低，移植性太差等。

4 混合性并發(fā)模型

以上介紹的兩種并發(fā)模型在網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)中是主流的并發(fā)管理方法，鑒于兩種方法各有特點(diǎn)，于是開始有研究人員嘗試結(jié)合這兩種方法建立了混合并發(fā)模型。其主要的實(shí)現(xiàn)思想是進(jìn)行驅(qū)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換，可以根據(jù)編譯時(shí)轉(zhuǎn)換與運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)換大致的分類。編譯時(shí)轉(zhuǎn)換的混合并發(fā)模型具有一個(gè)相同的問題需要解決，就是其通用性較差。不能很好的與其他體系的程序進(jìn)行相互協(xié)作式。而基于運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)換的混合模型沒有這個(gè)問題，已經(jīng)有技術(shù)可以同時(shí)支持事件驅(qū)動(dòng)與多線程這兩種不同的并發(fā)模型，但是其實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜且沒有異常處理機(jī)制。總的來說，目前沒有一種完美的方法來進(jìn)行兩種模型之間的融合。在混合模型的使用方面，由于混合模型誕生的較晚，實(shí)際應(yīng)用效果與研究較少，其性能還有待于進(jìn)一步檢驗(yàn)。

5 結(jié)論

隨著云的興起，以及技術(shù)的逐步成熟，軟件開始越來越明顯的表示出網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)。并發(fā)問題便成了軟件網(wǎng)絡(luò)化中不可回避的一個(gè)問題，經(jīng)過幾十年的努力，并發(fā)問題仍然沒有得到有效的解決，沒有一種有效的辦法可以對(duì)并發(fā)問題進(jìn)行簡(jiǎn)化。當(dāng)前能做的是提升現(xiàn)有解決辦法的并發(fā)處理能力，無論哪種并發(fā)模型都有很大的提升空間。其次是將程序應(yīng)用功能分類進(jìn)行處理，盡量的縮小并發(fā)處理規(guī)模。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，并發(fā)問題必將得到很好的解決。

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1674-6708（2011）51-0165-01