試論當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)中的復(fù)雜性

劉儒香

（亳州學(xué)院 電子與信息工程系，安徽 亳州 236800）

試論當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)中的復(fù)雜性

劉儒香

（亳州學(xué)院 電子與信息工程系，安徽 亳州 236800）

科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展使互聯(lián)網(wǎng)成為了當(dāng)前社會生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可缺少的信息基礎(chǔ)設(shè)施.但是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為復(fù)雜，缺乏一定的安全性，基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)開發(fā)受到了前所未有的阻礙，出現(xiàn)了很多并發(fā)性問題，使網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)效率不斷降低.針對網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)受到并發(fā)性問題影響的問題，本文從網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)現(xiàn)狀和并發(fā)復(fù)雜性的實(shí)質(zhì)出發(fā)，對網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)中的并發(fā)復(fù)雜性問題進(jìn)行詳細(xì)的探討，以期為相關(guān)的研究提供相應(yīng)的意見.

網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)；并發(fā)復(fù)雜性；實(shí)質(zhì)；模型

近年來，傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法無法應(yīng)用于當(dāng)前開發(fā)高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)程序中，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的單機(jī)環(huán)境與當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境存在較大的差異，這些差異體現(xiàn)于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與單機(jī)環(huán)境之間的分布、結(jié)構(gòu)、并發(fā)性以及延誤等多種問題方面，一旦這些問題整體結(jié)合，網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)就更加難以正常開展.并發(fā)性是阻礙網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)的主要因素，由于并發(fā)處理方法影響著軟件模板可組合性，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)中的部分問題難以得到正常解決.因此，網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)者應(yīng)該重視并發(fā)性管理，以合理的并發(fā)處理模型，盡力降低網(wǎng)絡(luò)陳雪開發(fā)難度.

1 網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及網(wǎng)絡(luò)程序并發(fā)復(fù)雜性實(shí)質(zhì)

1.1 網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

程序使用過程中，網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)與單機(jī)程序之間存在較大的差異，由于二者之間的運(yùn)行環(huán)境并不相同，這就給網(wǎng)絡(luò)程序帶來了較大的阻礙.當(dāng)今時(shí)代已經(jīng)進(jìn)入了信息化時(shí)代，社會的發(fā)展與進(jìn)步離不開網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)前很多軟件、設(shè)備都擁有網(wǎng)絡(luò)功能，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被應(yīng)用于生活、生產(chǎn)的方方面面，同時(shí)也轉(zhuǎn)變了很多工作模式.基于這樣的大背景，網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)得到了空前的發(fā)展，與此同時(shí)，人們生活水平的不斷提高，對網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)的要求也隨之增高，但是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無法滿足當(dāng)代高品質(zhì)網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)要求，因此，完善網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成為了網(wǎng)絡(luò)程序工作中亟待解決的問題[1].針對此，網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)者努力對網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)中存在的缺陷進(jìn)行不斷優(yōu)化和改進(jìn).但是，就是因?yàn)橄蛑@一目標(biāo)的不斷努力，程序設(shè)計(jì)者逐漸發(fā)現(xiàn)并沒有辦法可以很好地解決這些并發(fā)復(fù)雜性問題，極大地阻礙了網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)的發(fā)展.針對這一現(xiàn)狀，網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)應(yīng)該立足于當(dāng)前發(fā)展的實(shí)際情況，對單機(jī)環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中存在的差異進(jìn)行整體調(diào)整，從細(xì)節(jié)和整體上對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)進(jìn)行完善，提高網(wǎng)絡(luò)程序模型性能，縮小并發(fā)復(fù)雜性問題的處理規(guī)模，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)的發(fā)展與進(jìn)步.

1.2 網(wǎng)絡(luò)程序并發(fā)復(fù)雜性實(shí)質(zhì)

并發(fā)主要是指在一個(gè)時(shí)間段中，網(wǎng)路程序中的某幾個(gè)程序同時(shí)處于已經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)行到運(yùn)行完畢的狀態(tài)中，且這個(gè)程序都同時(shí)在同一個(gè)處理機(jī)上運(yùn)行，在這一個(gè)整個(gè)過程中，雖然一個(gè)處理機(jī)上有多個(gè)程序運(yùn)行，但是任意一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)上只有一個(gè)程序在處理機(jī)上運(yùn)行.具體來說，所謂“并發(fā)”，從全局的角度來看就是“串聯(lián)”，這個(gè)與在單核處理器上，多線程運(yùn)行于單人計(jì)算機(jī)相似.并發(fā)與并行存在很多相似的地方，但是二者在處理方法中存在實(shí)質(zhì)性差異，并發(fā)復(fù)雜性處理可以針對單機(jī)程序設(shè)計(jì)中存在的并發(fā)問題進(jìn)行有針對性的解決，這對于網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)有重要意義.并發(fā)性問題主要存在于網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中，處理并發(fā)性問題應(yīng)該根據(jù)問題的實(shí)際情況，采用合理的方法和正確觀念.雖然相關(guān)的研究者針對解決并發(fā)性問題研究了很長時(shí)間，但是并未發(fā)現(xiàn)哪一種方法能夠徹底解決并發(fā)性問題.當(dāng)前的處理方法大部分都是基于事件的驅(qū)動(dòng)并發(fā)模型以及多線程模型，這兩種模型各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，且在不同的環(huán)境下，產(chǎn)生的作用也大不相同，因此，在本質(zhì)上沒有什么模型比另一個(gè)模型優(yōu)質(zhì)的說法，選用什么模型主要是取決于什么環(huán)境.

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

2.1 事件驅(qū)動(dòng)并發(fā)模型

目前的計(jì)算機(jī)大部分都是使用馮·諾依曼所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模型，但是，這種類型的計(jì)算機(jī)模型往往都需要依靠其他信息驅(qū)動(dòng)來運(yùn)行，即基于事件驅(qū)動(dòng)并發(fā)模型，這種計(jì)算機(jī)模型與數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)模型顯示.事件驅(qū)動(dòng)并發(fā)模型被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)當(dāng)代的網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)者還可以按照操作調(diào)配時(shí)機(jī)，分為反應(yīng)模式和前攝模式[2].其中，反應(yīng)模式是指在數(shù)據(jù)滿足相應(yīng)的條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相應(yīng)的操作；前攝模式則是指先進(jìn)行相應(yīng)的操作，然后再等待事件完成.

基于事件的驅(qū)動(dòng)并發(fā)模型，在對事件的維護(hù)以及函數(shù)運(yùn)行時(shí)間的處理上，基本都是通過事件分派器來進(jìn)行處理，例如：函數(shù)之間的通信主要是依靠事件完成，事件維護(hù)是通過事件分配器完成.在這種模型下，函數(shù)完成了特定的操作后，將CPU控制權(quán)又交還出來，進(jìn)而通過事件分派器來做進(jìn)一步的處理.與此同時(shí)，該模型會立足于事件上次沒有完成的進(jìn)度繼續(xù)跟進(jìn)，這樣就反轉(zhuǎn)了CPU的控制權(quán).從上述的內(nèi)容來看，基于事件的驅(qū)動(dòng)并發(fā)模型主要是通過事件分派器對任務(wù)關(guān)系進(jìn)行處理，并對函數(shù)進(jìn)行拆分，促使函數(shù)分裂.假如在事件分派器處理任務(wù)的過程中，出現(xiàn)問題，導(dǎo)致大量函數(shù)分裂，則會增加程序調(diào)試難度，并造成計(jì)算機(jī)內(nèi)存泄漏.總體而言，基于事件驅(qū)動(dòng)并發(fā)模型在被調(diào)用的過程中，需要進(jìn)行函數(shù)分裂，主要會導(dǎo)致函數(shù)內(nèi)部細(xì)節(jié)暴露，函數(shù)穩(wěn)定性降低，進(jìn)而降低基于事件驅(qū)動(dòng)并發(fā)模型板塊重復(fù)使用性，對計(jì)算機(jī)整體性能造成破壞.

2.2 多線程并發(fā)模型

多線程并發(fā)模型與基于事件驅(qū)動(dòng)并發(fā)模型具有一定的相似性，而菏澤都可以分為兩種調(diào)度類型，不同的是，多線程并發(fā)模型主要分為搶占式模型和協(xié)作式模型.所謂搶占式模型主要是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)度和管理線程，這種調(diào)度類型下，應(yīng)用層不會控制線程的運(yùn)行.另外，協(xié)作式模型主要是指應(yīng)用層以協(xié)作的方式進(jìn)行任務(wù)線程運(yùn)行.兩種調(diào)度方法在本質(zhì)上存在較大的差別，因此，二者所表現(xiàn)出的特征以及并發(fā)性問題也存在很大的區(qū)別，值得注意的是，二者不存在哪一個(gè)方法優(yōu)質(zhì)哪一個(gè)方法劣質(zhì)的說法，兩種調(diào)度方法各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn).

在搶占式調(diào)度方法中，計(jì)算機(jī)CPU控制權(quán)依靠于調(diào)度器的管理，但是，調(diào)度器知識對線程進(jìn)行強(qiáng)制性調(diào)度，基于這種調(diào)度模式，調(diào)度器很有可能在一個(gè)不能暫停線程的時(shí)候，反而將計(jì)算機(jī)CPU的控制權(quán)強(qiáng)制轉(zhuǎn)移到另一個(gè)線程上，這就容易造成上一個(gè)線程沒有妥善處理當(dāng)前線程所需要的數(shù)據(jù)，進(jìn)而造成數(shù)據(jù)見的惡意競爭，情況嚴(yán)重還容易導(dǎo)致計(jì)算機(jī)程序崩潰[3].

協(xié)作式多線程調(diào)度方法與搶占式調(diào)度方法不同，協(xié)作式多線程調(diào)度方法不會出現(xiàn)CPU控制權(quán)的強(qiáng)制性轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，只有在當(dāng)前線程放棄了CPU的控制權(quán)的情況下，CPU的控制權(quán)才會轉(zhuǎn)移到其他的線程.協(xié)作式調(diào)度模型可以充分發(fā)揮處理器的并行能力，但是在協(xié)作調(diào)度方法下，實(shí)時(shí)性較差，導(dǎo)致在對實(shí)時(shí)性有高要求的任務(wù)中，適合采用搶占式調(diào)度方法.只是愛大多數(shù)情況下，多線程并發(fā)模型靈活性高于基于事件驅(qū)動(dòng)并發(fā)模型.另外，多線程協(xié)作應(yīng)用于不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中時(shí)，線程代碼之間的移植具有較大的困難，這降低了多線程模型的適應(yīng)性.例如：在Windows系統(tǒng)中，可以支持搶占式線程方法和協(xié)作式線程方法同時(shí)應(yīng)用，但是標(biāo)準(zhǔn)的Linux中只允許搶占式線程，在某部分資源有限的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，多線程并發(fā)模型更加不被支持.

2.3 派生并發(fā)模型

派生并發(fā)模型中期貨是被應(yīng)用最廣泛的一種派生并發(fā)模型，期貨會立刻返還一個(gè)關(guān)于任何表達(dá)式N的期貨，并在同一時(shí)間并發(fā)對X的主動(dòng)求值[4].求值完成后所得出的結(jié)果取代之前產(chǎn)生的期貨，從本質(zhì)上來看，期貨就在產(chǎn)生的時(shí)候就沒有確定，只有值求出后，才能處于確定狀態(tài).使用期貨在很大程度上可以消除并發(fā)管理，甚至程序設(shè)計(jì)者都不用指導(dǎo)所使用的程序是否是期貨程序，也不用知道期貨是否處于確定狀態(tài)，大部分并發(fā)管理的相關(guān)內(nèi)容都集中于產(chǎn)生期貨的程序中，在對問題的處理過程中，除了明確任務(wù)能不能被并發(fā)執(zhí)行以外，還要根據(jù)程序多線程并發(fā)處理方式或者基于事件驅(qū)動(dòng)并發(fā)方式來進(jìn)行任務(wù)的處理，當(dāng)任務(wù)處理完成后，期貨才能夠處于確定狀態(tài).從當(dāng)前的多核并行計(jì)算環(huán)境來看，期貨受到了更加廣泛的關(guān)注，盡管期貨擁有很多優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)橹髁鞒绦蛟O(shè)計(jì)語言并不支持期貨，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中較少.總而言之期貨主要來源于分布式計(jì)算，是一種適用于管理并行復(fù)雜性的有效措施之一.

2.4 混合性并發(fā)模型

基于事件驅(qū)動(dòng)并發(fā)模型與多線程并發(fā)模型組處理當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)并發(fā)復(fù)雜性問題的主要方法，這兩種處理方法各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)所建立的新型處理方式被稱作混合性并發(fā)模型.這種模型的運(yùn)行原理，就是把網(wǎng)絡(luò)程序進(jìn)行形式化的轉(zhuǎn)換促進(jìn)驅(qū)動(dòng)間能夠完成良好的協(xié)作驅(qū)動(dòng).從當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)現(xiàn)狀來看，已經(jīng)有良好的技術(shù)基礎(chǔ)，可以支持事件驅(qū)動(dòng)和多線程、派生等多種并發(fā)模型的應(yīng)用，但是在處理任務(wù)的過程中具有較大的復(fù)雜性，因此缺乏一種針對發(fā)生異常突發(fā)情況的處理機(jī)制.從從總體上來看，至今為止還沒有一種全面的、系統(tǒng)的方法將多種模型融合起來，盡管混合性并發(fā)模型已經(jīng)結(jié)合了多種模型中的優(yōu)點(diǎn)，但是其通用性能較差，再加上混合性并發(fā)模型研發(fā)時(shí)間短，實(shí)踐時(shí)間不長，還有待完善，因此在實(shí)際應(yīng)用中并沒有得到良好的效果.

并發(fā)復(fù)雜性問題普遍存在于網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)中，且在網(wǎng)絡(luò)信息化的大環(huán)境下，這種問題只會越來越突出，研究人員應(yīng)該將其設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的重點(diǎn)研究問題.在網(wǎng)絡(luò)信息化發(fā)展的長河中，盡管有很多研究者對并發(fā)性問題有所研究，但是仍然缺乏系統(tǒng)的、完善的技術(shù)應(yīng)用來解決并發(fā)性復(fù)雜問題[5].利用當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)只能通過不斷提高并發(fā)問題解決能力來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的完善，而且上述并發(fā)模型都擁有較大的發(fā)展空間，加入對軟件進(jìn)行細(xì)致分類，縮小處理規(guī)模，這對于并發(fā)問題的解決具有較大的促進(jìn)作用.

總而言之，網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)的并發(fā)復(fù)雜性是一個(gè)無法避免的問題，從當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)狀來看，并沒有系統(tǒng)有效的措施來徹底解決這一系列并發(fā)復(fù)雜性問題.因此，網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)者應(yīng)該從當(dāng)前的實(shí)際情況出發(fā)，不斷強(qiáng)化自身的網(wǎng)絡(luò)程序并發(fā)處理能力，完善并發(fā)模型的性能，盡量縮小并發(fā)處理規(guī)模，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)程序的優(yōu)質(zhì)性能，使網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)可以正常順利地開展.

〔1〕楊文福,王捷.網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的程序設(shè)計(jì)并發(fā)復(fù)雜性[J].信息通信,2016,19(1):110-111.

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2015年安徽省省級計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)綜合改革試點(diǎn)（2015ZY078）