並行程式典範 (Paradigms): Golang V.S. Java

當我回頭看剛開始學 Golang 的程式時，我發現我只是用 Golang 語法寫 Java 程式。尤其在並行程式的設計思路上 Golang 和 Java 完全不同：Java 習慣上會用 thread-safe 的概念設計並行，而 Golang 的設計上鼓勵開發者使用 channel 處理並行問題。

這篇文章主要想討論 Java 和 Golang 撰寫並行程式上的風格差異，希望能讓初學 Golang 的開發者在撰寫並行時，能對 Golang 的並行設計模式有些概念。

# 什麼是典範

程式典範是指規範如何撰寫程式的指導原則，一種更高位的設計模式， 像是物件導向程式設計 (Object Oriented Programming) 就是一種程式典範，其餘的還有函式語言程式設計 (Functional programming)。
要注意的是，典範本身並無優劣之分，有的只是適用的情境不同。
如同程式並行典範，撰寫並行程式也有典範，如 Thread & Lock 就是一種並行的典範。Java 在撰寫並行程式時即是依循 Thread & Lock。另一方面， Golang 的並行典範則更多是遵循 Communicating Sequential Process(CSP) 。接下來讓我們更深入探討兩種典範的差異。

# Thread & Lock

Thread & Lock 在運作上完全反映底層硬體的行為。基本上是不同 Thread 透過共享記憶體溝通，而透過 Lock 確保一次只有個 Thread 存取共享記憶體，即是互斥鎖的概念：

以經典的同步問題 - 生產者/消費者問題為例，Java 實作起來會像這樣：

    static Lock lock = new ReentrantLock();
    static Queue queue = new LinkedList<Integer>();
    static Condition con=lock.newCondition();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        var size = 10;

        for (int i=0;i<100;i++){
            var producer = new Thread(() -> {
                lock.lock();
                while (queue.size() == size) {
                    try {
                        con.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                }
                var item = Math.random() * 100;
                queue.add(item);
                System.out.println("Produce : " + item);
                con.signal();
                lock.unlock();
            });
            producer.start();
        }

        for(int i=0;i<100;i++) {
            var consumer = new Thread(() -> {
                lock.lock();
                while (queue.size() == 0) {
                    try {
                        con.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                }
                var item = queue.remove();
                System.out.println("Consume : " + item);
                con.signal();
                lock.unlock();
            });
            consumer.start();
        }
    }

生產者和消費者透過 queue 溝通，每次往 queue 新增/刪除資料時，都會先用 lock 保護，確保一次只有一個 thread 能存取 queue。
Thread & Lock 基本上完全模擬了底層硬體處理並行的行為，且大部分程式語言都有支援，因此可以廣泛應用在大多數的場景。
但是 Thread & Lock 很難寫好，不小心會造成 deadlock。如以下的 code：

    public static Object cacheLock = new Object();
    public static Object tableLock = new Object();

    public static void oneMethod()  {
        synchronized (cacheLock) {
            synchronized (tableLock) {
                System.out.println("hio1");
            }
        }
    }
    public static void anotherMethod() {
        synchronized (tableLock) {
            synchronized (cacheLock) {
                System.out.println("hio2");
            }
        }
    }

    public  static void main(String[] args) {
        new Thread(()->{
                oneMethod();
                anotherMethod();
        }).start();

        new Thread(()->{
                anotherMethod();
                oneMethod();
        }).start();
    }

20 行的 Thread 和 25 行的 Thread 彼此等待對方的鎖，讓程式卡住。
而更棘手的是 deadlock 通常不容易發現。想像一下上面的 code：若是 oneMethod 和 anotherMethod 是第三方套件提供的方法，除非你 trace 過 code，不然你無法確保該 method 裡面是否有使用到 lock。甚至有可能在例外處理中忘記解鎖導致系統 deadlock。

# Communicating Sequential Process(CSP)

相較於多個 Thread 透過共享記憶體溝通的 Threa & Lock 典範，CSP 提倡透過溝通來共享資訊。概念上如下圖，每個 Thread 透過 channel 發送/接收訊息來溝通：

Golang 的並行典範則是圍繞著 CSP 概念設計，Golang 官方 blog 提到:

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.
不要透過共享記憶體溝通，透過溝通來共享記憶體。

同時你可以在 Golang Sysn Package 的文件中看到下列敘述：

Package sync provides basic synchronization primitives such as mutual exclusion locks. Other than the Once and WaitGroup types, most are intended for use by low-level library routines. Higher-level synchronization is better done via channels and communication.
Package sync 提供基礎的同步原型，像是互斥鎖。除了 Once 和 WaitGroup 以外，大部分都是提供用來做底層 library 使用。高階的同步建議使用 channel 。

因此若是用 Golang 解決生產者/消費者問題時，程式寫起來會像這樣：

func main() {
	queue := make(chan int)

	// producer
	for i := 0; i < 100; i++ {
		go func() {
			item := rand.Intn(100)
			fmt.Printf("Produce: %d\n", item)
			queue <- item
		}()
	}

	// consumer
	for i := 0; i < 100; i++ {
		go func() {
			item := <-queue
			fmt.Printf("Consume: %d\n", item)
		}()
	}

}

可以看到 Golang 將複雜的互斥鎖邏輯封裝在 channel 裡面，開發者可以安心地使用 channel 而不用分心 Lock & Unlock 的邏輯。以更高位的角度來看，可以說是 Golang 鼓勵開發者用 Channel 把所有 Goroutine 解耦合，也就是 CSP 的理念。反之 Thread & Lock 會把所有 thread 用 shared memory 耦合在一起。 
但這是有代價的 - 為了達到 Goroutine 間不共享記憶體，channel 在實作上並不是把 sender 的物件直接透過 channel 傳給 receiver，而是傳遞一個 copy 的物件，可以用下面這段 code 驗證：

	go func() {
		item := rand.Intn(100)
		fmt.Printf("Produce item Addr: %v\n", &item)
		queue <- item
	}()

	go func() {
		item := <-queue
		fmt.Printf("Consume item Addr: %v\n", &item)
	}()

實際 print 到銀幕上的記憶體位置會不一樣：

roduce item Addr: 0xc000014090
Consume item Addr: 0xc000120000

而每個物件都需要 copy 在效能上是一定會有損耗的，這就是用 channel 把 goroutine 解耦合要付出的代價。

# 結論

當我們說 Java 的並行是以 Thread & Lock 為基底，並不代表 Java 不能做到 CSP。以生產者/消費者的範例來看， Java 用 BlockingQueue 可以做到類似 Golang 的 channel 的功能。同理，Golang 中也有提供的 sync package 不乏有 Mutex、RWMutex 等機制。
但在 Java 中你會看到 Java 的並行生態系會是環繞著 Thread & Locl 去打造，你會看到大量的 synchronized 去規範某個區段一次只能被一個 Thread 執行，你會看到 Java 文章常提到要 Thread-safe 等概念。而在 Golang 你更多的是看到怎麼運用 select & channel 去打造並行程式。
在下一篇文章中，我會介紹 Golang 官網介紹的幾種常見的 Concurrency Pattern，以及對應 Java 的寫法做比較，讓大家可以更深刻體會兩種並行典範的內涵差異。

# Reference

GopherCon 2017: Kavya Joshi - Understanding Channels
Seven Concurrency Models in Seven Weeks When Threads Unravel

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