java中怎么利用Clojure實現抽象并發性和共享狀態

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Epochal 事件模型

或許 Clojure 與其他語言最顯著的區別與易變的狀態和值 密切相關。Clojure 中的值 可以是任何用戶感興趣的數據：數字 42、映射結構 {:first-name "Neal :last-name "Ford"} 或某些更大型的數據結構，比如 Wikipedia。基本來講，Clojure 語言對待所有值就像其他語言對待數字一樣。數字 42 是一個值，您不能重新定義它。但可對該值應用一個函數，返回另一個值。例如，(inc 42) 返回值 43。

在 Java 和其他基于 C 的語言中，變量 同時持有身份和值，這是讓并發性在 Java 語言中如此難以實現的因素之一。語言設計人員在線程抽象之前創建了變量抽象，變量的設計沒有考慮為并發性增加的復雜性。因為 Java 中的變量假設只有單個線程，所以在多線程環境中，需要像同步塊這樣麻煩的機制來保護變量。Clojure 的設計人員 Rich Hickey 讓交織（complect） 這個古老的詞匯恢復了活力（交織這個詞被定義為 “纏繞或編織”），用于描述 Java 變量中的設計缺陷。

Clojure 將值 與引用 分開。在 Clojure 世界觀中，數據以一系列不變的值的形式存在，如圖 1 所示。

圖 1. epochal 時間模型中的值

圖 1 顯示，像 v1 這樣的獨立的值表示 42 或 Wikipedia 等數據，使用方框表示。與值獨立的是函數，它們獲取值作為參數并生成新值，如圖 2 所示。

圖 2. epochal 時間模型中的函數

圖 2 將函數顯示為與值獨立的圓圈。函數調用會生成新值，使用值作為參數和結果。一連串的值保存在一個引用 中，它表示變量的身份。隨著時間的推移，此身份可能指向不同的值（由于函數應用），但身份從不更改，如圖 3 中的虛線所示。

圖 3. epochal 時間模型中的引用

在圖 3 中，整幅圖表示一個引用隨時間的變化。虛線是一個引用，它持有其生存期內的一連串的值。可在某個時刻向引用分配一個新的不變值；引用指向的目標可更改，而無需更改該引用。

在引用的生存期中，一個或多個觀察者（其他程序、用戶界面、任何對該引用持有的值感興趣的對象）將解除引用它，查看它的值（或許還執行某種操作），如圖 4 所示。

圖 4. 解除引用

在圖 4 中，觀察者（有兩種楔形表示）可持有引用本身（由來自虛線引用的箭頭表示），或者可解除引用它，檢索它的值（由來自該值的箭頭表示）。例如，您可能有一個函數，它以一個傳遞給您的數據庫連接作為參數，您進而將該參數傳遞給一個更低級的持久性函數。在此情況下，您持有該引用，但從不需要它的值；持久性函數可能會解除引用它，以獲取它的值來連接到一個數據庫。

請注意，圖 4 中的觀察者不會進行協調 — 它們完全不依賴彼此。此結構使得 Clojure 運行時能夠在整個語言中保證了一些有用的屬性，比如決不允許讀取程序阻塞，這使得讀取操作變得非常高效。如果您希望更改一個引用（也就是說，將它指向一個不同的值），可使用 Clojure 的一個 API 來執行更新，這會采用 epochal 時間模型。

epochal 時間模型為整個 Clojure 中的引用更新提供了支持。因為運行時控制所有更新，所以它可防御線程沖突，開發人員在不太復雜的語言中必須爭用線程。

Clojure 擁有廣泛的方式來更新引用，具體依賴于您想要何種特征。接下來，我將討論兩種方式：簡單的原子 和復雜的軟件事務內存。

原子

Clojure 中的原子 是對數據一個原子部分的引用，無論該部分有多大。您創建一個 atom 并初始化它，然后應用一個突變函數。這里，我為一個原子創建了一個稱為 counter 的引用，將它初始化為 0。如果我希望將引用更新到一個新值，我可使用 (swap!) 這樣的函數，它原子化地為該引用換入一個新值：

(def counter (atom 0))(swap! counter + 10)

根據 Clojure 中的慣例，突變函數的名稱以一個感嘆號結尾。(swap!) 函數接受該引用、要應用的函數（在本例中為 + 運算符）和任何其他參數。

Clojure 原子持有任何大小的數據，而不只是原始值。例如,我可圍繞一個 person 映射創建一個原子引用，并使用 map 函數更新它。使用 (create-person) 函數（未顯示），我在一個原子中創建一個 person 記錄，然后使用 (swap!) 和 (assoc ) 更新該引用，這會更新一個映射關聯：

(def person (atom (create-person)))(swap! person assoc :name "John")

原子還會通過 (compare-and-set!) 函數，使用原子實現一個通用的樂觀鎖定模式：

(compare-and-set! a 0 42)=> false(compare-and-set! a 1 7)= true

(compare-and-set!) 函數接受 3 個參數：原子引用、想要的現有值和新值。如果原子的值與想要的值不匹配，更新不會發生，函數會返回 false。

Clojure 有各種各樣的機制都遵循引用語義。例如，promise（是一種不同的引用）承諾在以后提供一個值。這里，我創建對一個名為 number-later 的 promise 的引用。此代碼不會生成任何值，就像它對最終會這么做的承諾一樣。調用 (deliver ) 函數時，一個值會綁定到 number-later：

(def number-later (promise))(deliver number-later 42)

盡管此示例使用了 Clojure 中的 futures 庫，但引用語義與簡單的原子保持一致。

軟件事務內存

沒有其他任何 Clojure 特性獲得了比軟件事務內存 (STM) 更多的關注，這是 Clojure 以 Java 語言封裝垃圾收集的方式來封裝并發性的內部機制。換句話說，您可編寫高性能的多線程 Clojure 應用程序，而從不考慮同步塊、死鎖、線程庫等。

Clojure 封裝并發性的方式是，通過 STM 控制引用的所有突變。更新一個引用（惟一的易變抽象）時，必須在一個事務中執行，以使 Clojure 運行時能夠管理更新。考慮一個經典的銀行問題：向一個帳戶中存款，同時向另一個帳戶貸款。清單 1 顯示了一個簡單的 Clojure 解決方案。

清單 1. 銀行交易

(defn transfer[from to amount](dosync(alter from - amount)(alter to + amount)))

在 清單 1 中，我定義了一個 (transfer ) 函數，它接受 3 個參數：from 和 to 帳戶 — 二者都是引用 — 以及金額。我從 from 帳戶中減去該金額，將它添加到 to 帳戶中，但此操作必須與 (dosync ) 事務一起發生。如果我在事務塊的外部嘗試一個 (alter ) 調用，更新會失敗并拋出一個 IllegalStateException：

(alter from - 1)=>> IllegalStateException No transaction running

在 清單 1 中，(alter ) 函數仍然遵守 epochal 時間模型，但使用 STM 來確保兩個操作都完成或都未完成。為此，STM — 非常像一個數據庫服務器 — 臨時重試阻塞的操作，所以您的更新函數在更新之外不應有任何副作用。例如，如果您的函數還寫入一個日志，由于不斷重試，您可能會看到多個日志條目。STM 還會隨未解決事務的時長增長而逐步提高它們的優先級，顯示數據庫引擎中的其他更常見的行為。

STM 的使用很簡單，但底層機制很復雜。從名稱可以看出,STM 是一個事務系統。STM 實現了 ACID 事務標準的 ACI 部分：所有更改都是原子性、一致 和隔離的。ACID 的耐久 部分在這里不適用，因為 STM 在內存中操作。很少看到將像 STM 這樣的高性能機制內置于一種語言的核心中；Haskell 是惟一認真實現了 STM 的另一種主流語言 — 不要奇怪，因為 Haskell（像 Clojure 一樣）非常喜歡不變性。（.NET 生態系統曾嘗試構建一個 STM 管理器，但最終放棄了，因為處理事務和不變性變得太復雜了。）

縮減程序（reducer）和數字分類

如果不討論 上一期 中的數字分類器問題的替代實現，并行性介紹都是不完整的。清單 2 顯示了一個沒有并行性的原子版本。

清單 2. Clojure 中的數字分類器

(defn classify [num](let [facts (->> (range 1 (inc num))(filter #(= 0 (rem num %))))sum (reduce + facts)aliquot-sum (- sum num)](cond(= aliquot-sum num) :perfect(> aliquot-sum num) :abundant(< aliquot-sum num) :deficient)))

清單 2 中的分類器版本濃縮為單個函數，它返回一個 Clojure 關鍵字（由一個前導冒號表示）。(let ) 塊使我能夠建立局部綁定。為了確定因數，我使用 thread-last 運算符來過濾數字范圍，讓代碼更有序。sum 和 aliquot-sum 的計算都很簡單；一個數字的真因數和 是它的因數之和減去它本身，這使我的比較代碼更簡單。該函數的最后一行是 (cond ) 語句，它針對計算的值來計算 aliquot-sum，返回合適的關鍵字枚舉。此代碼的一個有趣之處是，我以前的實現中的方法在這個版本中折疊為簡單的賦值。在計算足夠簡單和簡潔時，您通常需要創建的函數更少。

Clojure 包含一個稱為 縮減程序 的強大的并發性庫。（有關縮減程序庫的開發過程的解釋 — 包括為利用最新的 JVM 原生的 fork/join 工具而進行的優化 — 是一個吸引人的故事。）縮減程序庫提供了常見運算的就地替換，比如 map、filter 和 reduce，使這些預算能夠自動利用多個線程。例如，將標準的 (map ) 替換為 (r/map )（r/ 是縮減程序的命名空間），會導致您的映射操作自動被運行時并行化。

清單 3 給出了一個利用了縮減程序的數字分類器版本。

清單 3. 使用了縮減程序庫的分類器

(ns pperfect.core(:require [clojure.core.reducers :as r]))(defn classify-with-reducer [num](let [facts (->> (range 1 (inc num))(r/filter #(= 0 (rem num %))))sum (r/reduce + facts)aliquot-sum (- sum num)](cond(= aliquot-sum num) :perfect(> aliquot-sum num) :abundant(< aliquot-sum num) :deficient)))

必須仔細觀察，才能找出 清單 2 和 清單 3 之間的區別。惟一的區別是引入了縮減程序命名空間和別名，向 filter 和 reduce 都添加了 r/。借助這些細微的更改，我的過濾和縮減操作現在可自動使用多個線程。

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