Join minta

A join minta egy konkurrens (párhuzamos, elosztott) programtervezési minta, aminek lényege, hogy a szálak üzenetátadással kommunikálnak. A zárolással szemben magas szintű programozási modell, ami kommunikációs szerkezetmodellt használ, hogy elvonatkoztasson a környezet bonyolultságától, és lehetővé tegye a skálázást. Az üzenetek elfogyasztását atominak tekinti, még akkor is, ha több csatornán érkeztek az üzenetek.

Ez a minta a join-kalkuluson alapul, és mintaillesztést használ. Konkrétan ezt azzal valósítja meg, hogy lehetővé teszi függvények join definícióját, és/vagy csatornákat, amelyek konkurrens hívásra illeszkednek, továbbá üzenetminták is definiálhatók. Konkurrens programtervezési minták mintája (metaminta), mivel egyszerűbbé és hatékonyabbá teszi ezeknek az entitásoknak a kommunikációt és a többszálú programozási paradigma használatát.

Leírása

A join-minta egy magasabb csővezeték, szinkronizációval és mintaillesztéssel. Angolul chordnak is nevezik. Valójában a fogalom összegezhető illesztéssel és csatlakozással néhány üzenetre, amelyek különböző üzenetsorokból származnak, majd egyetlen kezelővel egyszerre kezeli őket. Az első elvárt kommunikációs lépés jelezhető a when kulcsszóval, a felcsatlakozás és párosítás and kulcsszóval, és a különféle feladatok futtatása a do kulcsszóval. A join minta tipikus formája:

j.When(a1).And(a2). ... .And(an).Do(d)

A When(a1) első argumentuma lehet szinkron vagy aszinkron csatorna, de lehet csatornák tömbje is. Minden további argumentumnak aszinkron csatornának kell lennie.

Pontosabban, ha egy üzenet illeszkedik minták egy összekapcsolt sorozatára, akkor elindul a kezelője egy új szálban, ha aszinkron kontextusban van, különben az üzenetnek várnia kell addig, amíg nem illeszkedik egy minta az ő valamelyik mintájára. Ha több illeszkedés van, akkor nem specifikált, hogy melyik minta választódik ki. Egy eseménykezelővel szemben, ami egy időben egyszerre több alternatív esemény egyikét szolgálja ki, a join minta csatornák konjunkciójára vár, és verseng a végrehajtásért minden más megengedett mintával.

Folyamatdiagram a join minta végrehajtásáról; általános illesztés több üzenetre (wait a chord) és az erőforrások szinkronizálása (szabad vagy zárolva)

A join mintát pi-kalkulusbeli csatornák halmaza definiálja, ami két műveletet definiál, a küldést és a fogadást; emiatt két join kalkulusbeli névre van szükség, egy x csatornanévre és egy x függvénynévre, az érték megszerzéséhez (egy kérés). A join definíció jelentése x() egy hívása, ami visszadja azt az értéket, ami egy x<> csatornán érkezett. Továbbá ha több függvény fut párhuzamosan, kiváltódik a return folyamat, és együtt szinkronizálódik a többi folyamattal.

J ::= //join patterns
| x<y> //message send pattern
| x(y) //function call pattern
| J | JBIS //synchronization

A kliens perspektívájából a csatorna csak deklarál egy metódust, ugyanazzal a névvel és szignatúrával. A kliens üzenetet küld vagy kérést vált ki a metódus hívásával. A folytató metódusnak várnia kell, amíg kérés vagy üzenet érkezett minden csatornán a folytatás When mondatát követően. Ha a folytatás futni kezd, akkor a csatornahívások argumentumai kikerülnek a sorból (elfogyasztódnak), és atomian átadódnak a folytatás paramétereinek. }}

A join minta osztálydiagramja

A legtöbb esetben a szinkron hívások sorrendje nem garantált a jobb teljesítmény érdekében. Az üzeneteket egy másik szál is elfogyaszthatja, így a szálnak lehet, hogy tovább kell várnia egy újabb üzenetre.

Története

π-kalkulus - 1992

A π-kalkulus a folyamatkalkulusok családjába tartozik, aminek segítségével matematikai képletekkel írja le és elemzi a konkurrens számítások sorozatát elnevezett csatornák bevezetésével, így a folyamatok kommunikálhatnak csatornákon keresztül, így leírhatók olyan konkurrens számítások is, amelyek hálózatkonfigurációja dinamikusan, futásidőben változik.

Join kalkulus - 1993

A join minták először Fournet és Gonthier alapvető join kalkulusával jelentek meg, mint aszinkron folyamatalgebra, amit elosztott környezetben hatékony implementációhoz terveztek. A join kalkulus kifejezőképessége megegyezik a π-kalkuluséval. Arra fejlesztették ki, hogy formális megalapozást adjon az elosztott programozási nyelvekhez, így elkerüli a más folyamatkalkulusokban használt kommunikációs szerkezeteket, például a randevúkat.

Elosztott join kalkulus - 1996

A join kalkulus névátadó kalkulus, és egyben magnyelv a konkurrens és elosztott programozáshoz. Az elosztott join kalkulus a join kalkuluson alapul, de az elosztott számításokhoz kibővítve. Mobil ágenseket használ, ahol az ágensek nem egyszerűen programok, hanem futó folyamatok, a saját kommunikációs képességeikkel.

JoCaml, Funnel és Join Java - 2000

A JoCaml és a Funnel funkcionális programozási nyelvek, amelyek támogatják a join minták deklarálását. Közvetlenül valósítják meg a join kalkulust funkcionális programozási nyelvekben.

Egy másik kiterjesztés egy nem szabványos kiterjesztés, a Java, JoinJava, amit Itzstein és Kearney javasolt.

Polyphonic C# - 2002

Cardelli, Benton és Fournet javasolta a C# bővítését join mintával 2002-ben, ez a Polyphonic C#.

Cω - 2003

A Cω a join kalkulus objektumorientált adaptációja. Tartalmazta a Polyphonic C#-ot a Cω (Comega) 2004-es kiadásában.

Scala Joins - 2007

A Scala Joins egy programkönyvtár, ami lehetővé teszi a join minta alkalmazását a Scala nyelvben a kiterjeszthető mintaillesztés kontextusában, hogy a join mintát a létező aktor alapú keretrendszerbe integrálja.

JErlang - 2009

Az Erlang natívan támogatja a konkurrens, valós idejű és elosztott paradigmát. A folyamatok közötti konkurrenciát bonyolult volt megoldani, ezért egy új nyelvet alkottak, a JErlangot, ami a join kalkuluson alapul.

A klasszikus programozási irodalomban

Join mintával egyszerűen kódolhatók egymással kapcsolatban álló konkurrens problémák, mint aktorok és aktív objektumok.

• Gátak

class SymmetricBarrier {
public readonly Synchronous.Channel Arrive;
public SymmetricBarrier(int n) {
    // create j and init channels (elided)
    var pat = j.When(Arrive);
    for (int i = 1; i < n; i++) pat = pat.And(Arrive);
    pat.Do(() => { });
}
}

• Étkező filozófusok

var j = Join.Create();
Synchronous.Channel[] hungry;
Asynchronous.Channel[] chopstick;
j.Init(out hungry, n); j.Init(out chopstick, n);
for (int i = 0; i < n; i++) {
    var left = chopstick[i];
    var right = chopstick[(i+1) % n];
    j.When(hungry[i]).And(left).And(right).Do(() => {
    eat(); left(); right(); // replace chopsticks
    });
}

• Kölcsönös kizárás

class Lock {
public readonly Synchronous.Channel Acquire;
public readonly Asynchronous.Channel Release;
    public Lock() {
        // create j and init channels (elided)
        j.When(Acquire).And(Release).Do(() => { });
        Release(); // initially free
    }
}

• [[Termelő-fogyasztó minta]

class Buffer<T> {
public readonly Asynchronous.Channel<T> Put;
public readonly Synchronous<T>.Channel Get;
    public Buffer() {
        Join j = Join.Create(); // allocate a Join object
        j.Init(out Put);
        // bind its channels
        j.Init(out Get);
        j.When(Get).And(Put).Do // register chord
        (t => { return t; });
    }
}

• Író-olvasó zárolás

class ReaderWriterLock {
private readonly Asynchronous.Channel idle;
private readonly Asynchronous.Channel<int> shared;
public readonly Synchronous.Channel AcqR, AcqW,
RelR, RelW;
public ReaderWriterLock() {
    // create j and init channels (elided)
    j.When(AcqR).And(idle).Do(() => shared(1));
    j.When(AcqR).And(shared).Do(n => shared(n+1));
    j.When(RelR).And(shared).Do(n => {
    if (n == 1) idle(); else shared(n-1);
    });
    j.When(AcqW).And(idle).Do(() => { });
    j.When(RelW).Do(() => idle());
    idle(); // initially free
}
}

• Szemaforok

class Semaphore {
public readonly Synchronous.Channel Acquire;
public readonly Asynchronous.Channel Release;
    public Semaphore(int n) {
        // create j and init channels (elided)
        j.When(Acquire).And(Release).Do(() => { });
        for (; n > 0; n--) Release(); // initially n free
    }
}

Alapfogalmak

• Join kalkulus: A join minta első megvalósításai ezen alapulnak.
• Üzenetátadás: A join minta párhuzamossági okok miatt üzenetátadással működik.
• Csatorna: Csatornák szinkronizálják és adnak át üzeneteket a konkurrensen végrehajtott szálak között. Általában egy csatorna több join mintában is benne van, minden minta egy lehetséges folytatást definiál, ami lefuthat, ha a csatorna meghívódik.
• Szinkron: A join minta használhat szinkron csatornákat, amelyek eredményt adnak vissza. A szinkron minta folytatása a szinkron hívó szálában fut.
• Aszinkron: Az aszinkron csatornának nincs visszatérési értéke, de argumentumai lehetnek. Folytatása egy új szálban fut. A join minta teljesen aszinkron lehet, folytatását szubrutinban nyújtja, és When mondata csak aszinkron csatornákat tartalmaz.
• Szinkron és aszinkron: A szinkron és aszinkron bufferek kombinációja egy olyan modult eredményez, ami kétféle fogyasztót támogat.
• Ütemező: a join mintákat ütemezni kell, kell egy ütemező, ami ezt megoldja.
• Progamtervezési minták: a join minta konkurrens viselkedési programtervezési minta.
• Konkurrens programozás: Konkurrensen hajtódik végre.
• Mintaillesztés: a join minta illeszkedő feladatokkal működik.
• Párhuzamos programozás: párhuzamosan hajtódnak végre a feladatok.
• Elosztott programozás: a join mintával felosztott feladatokat különböző ágensek hajthatják végre különböző környezetekben.
• Tranzakcionális memória: alkalmas a join minta kommunikációjának megvalósítására.
• Átfedés: a join minta számára nem probléma a különböző join minták közötti átfedés, egy csatornára több join minta is hivatkozhat.

Alkalmazások

A mobil ágensek autonóm programágensek társas készségekkel, kommunikációs lehetőségekkel és mozgási lehetőségekkel. A program és adatai mozoghatnak különféle gépek között futás közben.

A mobil ágensek használhatók arra, hogy összekapcsolják a konkurrens és az elosztott programozást join kalkulussal. Ezért megalkották az elosztott join kalkulus fogalmát, ami helyekkel és primitívekkel bővíti a join kalkulust a mobilitás leírására. Így az ágenseknek van fogalmuk a lokációról, ami az ágens fizikai helyét jelenti. Az ágens atomi jelleggel mozoghat a különböző helyek között.

Egy ágens folyamata funkcionalitásainak halmazaként definiálható, amibe beletartozik az aszinkron üzenetátadás, és a vándorlás. A mozgás könnyebb reprezentációja érdekében a helyeket fába szervezik. Ezzel a hibázás is egyszerűbben modellezhető. Ha egy helyen összeomlik a program, akkor minden alatta levő helyen is összeomlik. Egy meghatározott helyű hiba bármely futási helyről megtalálható, ez segít kijavítani a hibát.

Így a join kalkulus egy elosztott nyelv magja. Operációs szemantikája egyszerűen implementálható egy elosztott rendszerben, ami a hiba lehetőségét is tartalmazza. Így a join kalkulus elsőrangú objektumokként kezeli a csatornákat és a helyeket. Egy hely ismeri más helyek nevét, ezért onnan oda lehet lépni. Ez biztos alapot teremt a statikus elemzésnek és a biztonságos mozgásnak. Teljes az elosztott helyek kifejezésében. Ha nincs hiba, akkor a végrehajtás független a helyektől. Ez az átláthatóság fontos a mobil ágensek tervezésében, és nagyon hasznos tulajdonságaik ellenőrzéséhez.

2007-ben kiadták az alap join kalkulus egy proaktív ágenseket kezelő kiegészítését. Az ágensek megfigyelhetik közös környezetüket. Ehhez a közös környezethez változók adhatók az ágensekkel, például egy névszolgáltató, ami segít megtalálni más ágenseket.