Muutumatud andmetüübid konkurentses programeerimises Cloure keele näite varal
Nimi
Kristjan Kelt
Kokkuvõte
Konkurentne programmeerimine keskendub probleemidele, kus erinevaid ressursse tuleb jagada mitme lõime vahel. Kõige lihtsamal juhul võib selleks olla protsessori arvutusressurss, kuid tänapäevased mitme tuumaga protsessorid lisavad probleemile lisamõõtme, kus valdavaks probleemiks saab mälu ühine konkurentne kasutamine.
Selle töö eesmärk on uurida konkurentses programmerimises esinevaid probleeme ja võimalikke lahendusi Java ja Clojure keelte näite varal pannes rõhku keeles Clojure kasutusele võetud uuendustele.
Leitakse, et konkrurentne programmeerimine Javas pärib enamiku probleemidest konkurentsete programmeerimise vahendite suhteliselt madalatasemelisest lisamisest Java keelde. Enamik probleeme tuleneb ühismälu mudeli kasutuselevõtust. Kuna Javas on võimalik pöörduda ühismälu poole korrektse vastastiku välistuseta, siis võib see põhustada raskesti leitavaid tarkvara vigu. Peale selle võib Java lukkudel põhinev vastastik välistus luua raskesti leitavaid uusi probleeme. Näiteks võib programm sisaldada tupikut, kus programmi kaks lõime ootavad vastastikku võetud lukkude taga tänu ebakorrektsele lukkude võtmise järjekorrale programmis. Lukke kasutades on keeruline koostada mitmest eraldi seisvast atomaarsest operatsioonist uut ühendatud atomaarset operatsiooni.
Töös leitakse, et Lispist inspireeritud funktsionaalne Java platformil põhinev programmerimiskeel Clojure pakub rohkem piiratud reeglistikku andmete jagamiseks mitme lõime vahel. Kõige olulisem on, et kõik andmete jagamised mitme lõime vahel peavad olema väljendatud tahtlikult, mis võib arvatavalt vähendada programmeerimisvigade hulka. Clojures võib andmeid jagada asünkroonselt kasutades agente või sünkroonselt, kas kasutades tarkvaralisi mälutransaktsioone või lihtsamaid atomaarseid uuendusi üksikväärtuse jagamiseks.
Clojure tarkvaralised mälutransaktsioonid pakuvad lihtsa viisi mitme eraldi atomaarse operatsiooni uueks tervikuks kombineerimiseks. Clojure tarkvaralised mälutransaktsioonid võivad lisaks vähendada koodi vigu, kuna need kontrollivad programmi töö käigus, et jagatud mälu poole pöördumine toimuks transaktsiooni siseselt. Töös jõutakse järeldusele, et eelnevale vaatamata ei vabasta see programmeerijat vajalike atomaarsete operatsioonide korrektsest tuvastamisest programmi koodis.
Clojure lähenemine konkurentsele programmeerimisele põhineb muutumatute muutujate kontseptsioonil. Muutumatud muutujad võimaldavad kasutada keerukaid andmestruktuure lihtsate väärtustena, mille olek ei muutu viite haldaja kontrolli väliselt. Seega on oluline, et Cloure pakuks erinevaid andmeüüpe, mis järgivaid neid printsiipe.
Üks sellistest andmestruktuuridest Clojures on Persistent Vector – Clojure suvapöördusega loend. Käesolevas töös uuriti selle andmestruktuuri ehitust ja jõudlust. Kokkuvõtvalt võib öelda, et tegemist on “bitmapped” trie andmetüübiga, millel on kõrge hargnevustegur, mis võimaldab puhverdada lisamise operatsioone kogudes lisatavad elemendid esmalt nii öelda sabapuhvermällu ennem nende lisamist terviklikuna puusse. Persistent Vector andmetüübi ülesehitus võimaldab sel jagada oma sisemist struktuuri oma eelnevate versioonidega, mis teeb sellest tõhusa muutumatu andmetüübi.
Mõõtmised näitavad, et võrdluses Java ArrayList andmetüübiga pakkub see sarnast jõudlust nii elementide lisamisel nimekirja lõppu kui ka nimekirja järjestikusel läbimisel. Elemendi positsiooni järgi uuendamise jõudlus on siiski kaks suurusjärku madalam. Elemendi positsiooni järgi pärimise jõudlusele ei õnnestunud anda selgepiirilist hinnangut tänu arvatavasti Java JIT kompilaatori poolt põhjustatud probleemidele ArrayList jõudluse hindamisel. Tulemused annavad siiski alust spekuleerida, et andmetüüpide Persistent Vector ja ArrayList positsiooni järgi pärimise jõudlus on sarnane positsiooni järgi uuendamise jõudlusega.
Käesolevas töös analüüsiti erinevaid jõudluse paranduse ettepanekuid. Võib järeldada, et Persistent Vector nimekirja lõppu lisamise jõudlust on võimalik tõsta ligikaudu kaks korda, kui jagada selle lisamise sabapuhvermälu ühe lõime piires.
Võib arvata, et piisavalt hea lisamise ja läbimise operatsioonide jõudlus võimaldaks Persistent Vector andmetüüpi kasutada mitmete praktiliste ülesannete lahendamisel. Näiteks võiks seda kasutada andmebaasist laetud nimekirjast veebilehe koostamisel vahepuhvermäluna.
Korrektsete paralleeltestide koostamise keerukuse tõttu parallelljõudluse testid ei kajastu antud töös. Seega võib soovitada nende testide sooritamist edasiseks uurimisvaldkonnaks.
Kokkuvõtvalt jõuti töös järeldusele, et Clojure näitab, et on võimalik muuta konkurentne programmerimine suhteliselt turvaliseks, kui loetletud disaini printsiibid on järgitud. Võib arutleda,et raskused Java konkurentses programeerimises ei vähene kuniks Java mälu kasutus ei ole kriitiliselt üle vaadatud.
Lõputöö keel
inglise
Lõputöö tüüp
Bakalaureus - Informaatika
Juhendaja(d)
Oleg Batrashev
Kaitsmise aasta
2013