Akka 指南 之「术语及概念」

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术语及概念

在本章中，我们试图建立一个通用的术语来定义一个坚实的基础，用于交流 Akka 所针对的并发和分布式系统。请注意，对于这些术语中的许多，并没有一个统一的定义。我们试图给出将在 Akka 文档范围内使用的定义。

并发 vs. 并行

并发和并行是相关的概念，但有一些小的区别。并发意味着两个或多个任务正在取得进展，即使它们可能不会同时执行。例如，这可以通过时间切片来实现，其中部分任务按顺序执行，并与其他任务的部分混合。另一方面，当执行的任务可以真正同时进行时，就会出现并行。

异步 vs. 同步

如果调用者在方法返回值或引发异常之前无法取得进展，则认为方法调用是同步的。另一方面，异步调用允许调用者在有限的步骤之后继续进行，并且可以通过一些附加机制（它可能是已注册的回调、Future或消息）来通知方法的完成。

同步 API 可以使用阻塞来实现同步，但这不是必要的。CPU 密集型任务可能会产生类似于阻塞的行为。一般来说，最好使用异步 API，因为它们保证系统能够进行。Actor 本质上是异步的：Actor 可以在消息发送之后进行其他任务，而不必等待实际的传递发生。

非阻塞 vs. 阻塞

如果一个线程的延迟可以无限期地延迟其他一些线程，我们将讨论阻塞。一个很好的例子是，一个线程可以使用互斥来独占使用一个资源。如果一个线程无限期地占用资源（例如意外运行无限循环），则等待该资源的其他线程将无法进行。相反，非阻塞意味着没有线程能够无限期地延迟其他线程。

非阻塞操作优先于阻塞操作，因为当系统包含阻塞操作时，系统的总体进度并不能得到很好的保证。

死锁 vs. 饥饿 vs. 活锁

当几个参与者在等待对方达到某个特定的状态以便能够取得进展时，就会出现死锁（Deadlock）。由于没有其他参与者达到某种状态（一个Catch-22问题），所有受影响的子系统都无法继续运行。死锁与阻塞密切相关，因为参与者线程能够无限期地延迟其他线程的进程。

在死锁的情况下，没有参与者可以取得进展，相反，当有参与者可以取得进展，但可能有一个或多个参与者不能取得进展时，就会发生饥饿（Starvation）。典型的场景是一个调度算法，它总是选择高优先级的任务而不是低优先级的任务。如果传入的高优先级任务的数量一直足够多，那么低优先级任务将永远不会完成。

活锁（Livelock）类似于死锁，因为没有参与者取得进展。不同之处在于，参与者不会被冻结在等待他人进展的状态中，而是不断地改变自己的状态。一个示例场景是，两个参与者有两个相同资源可用时。他们每一个都试图获得资源，但他们也会检查对方是否也需要资源。如果资源是由另一个参与者请求的，他们会尝试获取该资源的另一个实例。在不幸的情况下，两个参与者可能会在两种资源之间“反弹（bounce）”，从不获取资源，但总是屈服于另一种资源。

竟态条件

当一组事件的顺序的假设可能被外部的非确定性（non-deterministic）因素影响时，我们称之为竞争条件（Race condition）。当多个线程具有共享可变状态时，常常会出现竞争条件，并且线程在该状态上的操作可能会交错进行，从而导致意外的行为。虽然这是一个常见的情况，但是共享状态不需要有竞争条件。例如，客户机向服务器发送无序数据包（如 UDP 数据报）P1和P2。由于数据包可能通过不同的网络路由传输，因此服务器可能先接收到P2，然后接收到P1。如果消息不包含有关其发送顺序的信息，则服务器无法确定它们是以不同的顺序发送的。根据包（packets）的含义，这可能导致竞争条件。

• 注释：Akka 提供的关于在给定的两个 Actor 之间发送的消息的唯一保证是，他们的顺序始终保持不变。详见「Message Delivery Reliability」。

非阻塞保证（进度条件）

如前几节所讨论的，阻塞是不可取的，原因有几个，包括死锁的危险和系统中吞吐量的降低。在下面的章节中，我们将讨论具有不同强度的各种非阻塞特性。

等待自由（Wait-freedom）

如果保证每个调用都以有限的步骤完成，则方法是无等待（wait-free）的。如果一个方法是有界“无等待”的，那么步骤的数量有一个有限的上限。

根据这个定义，无等待方法永远不会被阻塞，因此不会发生死锁。此外，由于每个参与者都可以在有限的步骤之后（调用完成时）继续进行，因此无等待方法没有饥饿。

锁自由（Lock-freedom）

锁自由比等待自由更弱。在无锁调用的情况下，某些方法以有限的步数完成可能导致无限的等待（infinitely often some method finishes in a finite number of steps）。这个定义意味着没有死锁的调用是不可能的。另一方面，某些调用以有限的步骤完成的保证不足以保证所有调用最终都完成。换句话说，锁自由不足以保证不发生饥饿。

障碍自由（Obstruction-freedom）

障碍自由是本文讨论的最薄弱的非阻塞保证。如果一个方法在某个时间点之后独立执行（其他线程不执行任何步骤，例如：挂起），则该方法称为无障碍的，它以有限的步骤完成。所有无锁（lock-free）对象都是无障碍（obstruction-free）的，但相反的情况通常是不正确的。

乐观并发控制（OCC）方法通常是无障碍的。OCC 方法是，每个参与者都试图在共享对象上执行其操作，但如果参与者检测到来自其他对象的冲突，则会回滚修改，并根据某些计划重试。如果有一个时间点，其中一个参与者是唯一的尝试者，那么操作将成功。

推荐文献

• The Art of Multiprocessor Programming, M. Herlihy and N Shavit, 2008. ISBN 978-0123705914
• Java Concurrency in Practice, B. Goetz, T. Peierls, J. Bloch, J. Bowbeer, D. Holmes and D. Lea, 2006. ISBN 978-0321349606

英文原文链接：Terminology, Concepts.

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