Verbesserung der choreografischen Programmierung mit nicht-sequenzieller Ausführung

Choreografisches Programmieren ist eine Möglichkeit, Anwendungen zu erstellen, bei denen mehrere Teile zusammenarbeiten müssen. Es ermöglicht Entwicklern, festzulegen, wie diese Teile oder Prozesse innerhalb eines einzelnen Programms, das Choreografie genannt wird, kommunizieren und koordinieren. Dieser Ansatz hat Vorteile, da er hilft, bestimmte Arten von Fehlern früh im Entwicklungsprozess zu erkennen.

Allerdings kann choreografisches Programmieren langsam werden, wenn Nachrichten oder Prozesse verzögert sind. Das liegt daran, dass Prozesse normalerweise in einer festgelegten Reihenfolge ablaufen, die sich nicht ändert, je nachdem, wann Nachrichten ankommen. Diese feste Reihenfolge kann zu Ineffizienzen führen, da einige Prozesse lange warten müssen, bis andere abgeschlossen sind. In anderen Programmierstilen können Entwickler die Reihenfolge der Operationen ändern, um Verzögerungen besser zu bewältigen, aber diese Flexibilität kann neue Fehler einführen, die als Kommunikationsintegritätsverletzungen (CIVs) in choreografischem Programmieren bekannt sind.

In diesem Artikel werden wir ein neues Modell des choreografischen Programmierens diskutieren, das es Prozessen ermöglicht, ausser der Reihe auszuführen. Diese Änderung hilft, CIVs zu vermeiden und sicherzustellen, dass Anwendungen effizient bleiben, auch wenn die Zustell- und Bearbeitungszeiten von Nachrichten variieren. Unser Ansatz umfasst eine neue Programmierschnittstelle (API) für die Kommunikation in einer choreografischen Programmiersprache, die es den Prozessen ermöglicht, unabhängig und effizient zu arbeiten.

#Choreografisches Programmieren

Choreografisches Programmieren ist eine Methode, die die Erstellung verteilter Anwendungen vereinfacht. In traditioneller Programmierung würde jeder Teil der Anwendung als separates Programm geschrieben werden. Im Gegensatz dazu vereint das choreografische Programmieren diese Teile und ermöglicht es Entwicklern, ihr Verhalten innerhalb eines einzigen Programms oder einer Choreografie zu definieren.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode ist, dass sie einige häufige Fehler, wie beispielsweise Deadlocks, verhindert. Deadlocks treten auf, wenn zwei oder mehr Prozesse endlos aufeinander warten. Durch die Verwendung von choreografischem Programmieren können Programmierer dieses Problem vermeiden.

#Einschränkungen der festen Ausführungsreihenfolge

In vielen choreografischen Programmen laufen Prozesse in einer festen Sequenz. Diese sequentielle Ausführung kann zu hoher Latenz führen, wenn ein Prozess auf einen anderen warten muss. Wenn beispielsweise ein Prozess auf eine Nachricht von einem anderen wartet, kann er nicht fortfahren, bis die Nachricht eintrifft.

Um dies zu verdeutlichen, nehmen wir eine einfache Choreografie mit zwei Prozessen, die Daten produzieren. Wenn ein Prozess eine Nachricht sendet und der andere darauf warten muss, bevor er fortfährt, könnte der zweite Prozess Zeit mit Warten verschwenden. Stattdessen könnte die Gesamtleistung verbessert werden, wenn die beiden Prozesse gleichzeitig arbeiten könnten.

Hier kommt die Ausführung ausser der Reihe ins Spiel. Indem wir Prozessen erlauben, Anweisungen in beliebiger Reihenfolge auszuführen, wenn möglich, können wir die Dinge beschleunigen und die Anwendung effizienter laufen lassen. Allerdings kann die Ausführung in beliebiger Reihenfolge zu neuen Problemen führen, insbesondere wenn es darum geht, sicherzustellen, dass Nachrichten korrekt mit ihren vorgesehenen Variablen verknüpft sind.

#Kommunikationsintegritätsverletzungen (CIVs)

Wenn wir Prozessen erlauben, ausser der Reihe auszuführen, müssen wir sicherstellen, dass die Kommunikation zwischen ihnen korrekt bleibt. Wenn ein Prozess Nachrichten in der falschen Reihenfolge erhält, könnte er die Daten durcheinanderbringen, die für verschiedene Prozesse bestimmt sind, was zu Kommunikationsintegritätsverletzungen (CIVs) führt. Wenn zwei Prozesse beispielsweise zur gleichen Zeit Nachrichten senden, könnte der empfangende Prozess nicht wissen, welche Nachricht zu welchem Sender gehört, was zu Verwirrung führt.

Um diese Verletzungen zu verhindern, führt unser Modell eine Möglichkeit ein, Integritätsschlüssel an Nachrichten anzuhängen. Diese Schlüssel helfen dem empfangenden Prozess herauszufinden, mit welcher Nachricht er es zu tun hat, selbst wenn sie in der falschen Reihenfolge ankommen. Diese zusätzliche Ebene stellt sicher, dass Nachrichten immer an den richtigen Prozess zugestellt werden, selbst wenn sich die Ausführungsreihenfolge ändert.

#Unser vorgeschlagenes Modell

In diesem Artikel präsentieren wir ein neues Modell für das choreografische Programmieren, das vollständig ausser der Reihe ausgeführte Prozesse unterstützt. Dieses Modell garantiert, dass CIVs und Deadlocks nicht auftreten, wodurch Prozesse effizient und unabhängig arbeiten können.

#Hauptmerkmale des Modells

1. Asynchrone Choreografien: Unser Modell erlaubt es Prozessen, ohne aufeinander zu warten, miteinander zu kommunizieren. Dieses asynchrone Muster trägt zur Leistungsverbesserung bei.

2. Integritätsschlüssel: Jede Nachricht, die zwischen Prozessen gesendet wird, ist mit einem Integritätsschlüssel versehen. Diese Schlüssel stellen sicher, dass Nachrichten ihren entsprechenden Prozessen zugeordnet werden können, unabhängig von der Reihenfolge, in der sie ankommen.

3. Nicht blockierende Kommunikation: Wir führen eine API ein, die nicht blockierende Kommunikationsmethoden bereitstellt. Diese API ermöglicht es Prozessen, Nachrichten zu senden und zu empfangen, ohne warten zu müssen, was bedeutet, dass sie die Verarbeitung fortsetzen können, während sie auf den Abschluss der Kommunikation warten.

4. Unterstützung für ungeordnete Nachrichten: Unser Modell erlaubt den Empfang von Nachrichten in beliebiger Reihenfolge. Die Integritätsschlüssel helfen, diese ungeordneten Daten zu verstehen und sicherzustellen, dass die Anwendung weiterhin korrekt funktioniert.

#Bewertung des Modells

Wir bewerten unser Modell anhand praktischer Beispiele. Ein solches Beispiel umfasst zwei Prozesse, die Daten produzieren, die von einem einzigen Verbraucherprozess konsumiert werden. In einem traditionellen Modell, das keine Ausführung ausser der Reihe unterstützt, müsste der Verbraucher auf die Beendigung jedes Produzenten warten, bevor er weitermachen kann. In unserem Modell können beide Produzenten gleichzeitig arbeiten, und der Verbraucher kann Nachrichten verarbeiten, sobald sie ankommen. Diese Änderung führt zu einer erheblichen Verringerung der Latenz.

Ein zweites Beispiel beinhaltet den Vergleich des gewöhnlichen choreografischen Programmierens mit unserem vorgeschlagenen Modell. In einem typischen choreografischen Szenario muss ein Teil der Anwendung seine Aktion abschliessen, bevor der nächste beginnen kann. Dieses Modell führt zu längeren Wartezeiten für die Benutzer. Im Gegensatz dazu erlaubt unser Modell, dass Nachrichten sofort verarbeitet werden, sobald sie eintreffen, was die Gesamtgeschwindigkeit und Effizienz der Anwendung erheblich verbessert.

#Die API: Ozone

Um Programmierern zu helfen, unser Modell effektiv zu nutzen, haben wir die Ozone API entwickelt. Diese API vereinfacht den Prozess der Integration von Ausführungen in beliebiger Reihenfolge und nicht blockierender Kommunikation im choreografischen Programmieren.

#Wie Ozone funktioniert

• Futures: Die Ozone API nutzt "Futures", die Platzhalter für Werte sind, die später verfügbar sein werden. Wenn ein Prozess eine Nachricht sendet, erhält er einen Future, anstatt auf die vollständige Verarbeitung der Nachricht zu warten. Das ermöglicht dem sendenden Prozess, seine nächsten Anweisungen ohne Verzögerung weiter auszuführen.

• Integritätsschlüssel in Aktion: Beim Senden von Nachrichten verwenden Prozesse Integritätsschlüssel, um sicherzustellen, dass der empfangende Prozess den Inhalt der Nachricht korrekt identifizieren kann. Diese Methode ist entscheidend, um CIVs zu verhindern und sicherzustellen, dass Nachrichten zuverlässig bleiben.

• Umgang mit verlorenen Nachrichten: Die Ozone API kann mit verlorenen Nachrichten effektiver umgehen als traditionelle Methoden. Wenn eine Nachricht zu lange braucht, um anzukommen, kann Ozone automatisch einen Timeout auslösen, wodurch der empfangende Prozess die Situation elegant bewältigen kann, indem er einen Fallback- oder Standardwert verwendet.

#Praktische Anwendungen

Die Ozone API ist so konzipiert, dass sie in realen Anwendungen verwendet wird, und erleichtert Entwicklern die Implementierung eines effizienten choreografischen Programmierens. Mit klaren Methoden für die Handhabung von Ausführungen in beliebiger Reihenfolge und Kommunikationsintegrität verbessert die API die Zuverlässigkeit und Leistung verteilter Anwendungen.

#Fazit

Choreografisches Programmieren hilft, die Entwicklung verteilter Anwendungen zu vereinfachen, indem es Entwicklern ermöglicht, Interaktionen zwischen Prozessen in einem einzigen Programm zu definieren. Traditionelle Ansätze leiden jedoch unter Einschränkungen in Bezug auf die Ausführungsreihenfolge und Kommunikationsverzögerungen.

In diesem Artikel haben wir ein neues Modell vorgeschlagen, das vollständig ausser der Reihe ausgeführte Prozesse unterstützt und dabei die Kommunikationsintegrität bewahrt. Durch die Einbeziehung von Integritätsschlüsseln und einer nicht blockierenden Kommunikations-API können wir die Leistung choreografischer Anwendungen erheblich verbessern.

Dieser Ansatz bietet zahlreiche Vorteile für Entwickler und ermöglicht es ihnen, reaktionsfähigere und effizientere Anwendungen zu erstellen, ohne sich um die Komplexität der Verwaltung von Ausführungsreihenfolgen und Kommunikationsintegrität sorgen zu müssen.

Wir hoffen, dass die Ozone API und das zugrunde liegende Modell den Weg für fortschrittlichere Choreografie-Sprachen ebnen und zu besseren Praktiken im Bereich des verteilten Programmierens führen, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden können.

#Zukünftige Arbeiten

In Zukunft gibt es mehrere Forschungs- und Entwicklungsbereiche, in denen wir unsere Arbeit weiter ausbauen können. Ein wichtiger Aspekt ist, Wege zu finden, um die Nicht-Determinismus zu steuern, die durch die Ausführung in beliebiger Reihenfolge entsteht. Während dies in einigen Fällen vorteilhaft sein kann, kann es in anderen Situationen zu unerwarteten Verhaltensweisen oder Fehlern führen. Durch die Implementierung von statischen Analysetechniken können wir helfen zu identifizieren, welche Operationen sicher ausser der Reihe ausgeführt werden können und welche fix bleiben sollten.

Eine weitere potenzielle Verbesserung könnte sich auf die Reduzierung der Grösse von Sitzungstoken konzentrieren. In unserem aktuellen Modell werden diese Tokens als Listen von Ganzzahlen dargestellt, die für tief geschachtelte Verfahren umständlich werden können. Die Entwicklung einer effizienteren Darstellung könnte den Prozess vereinfachen und gleichzeitig die erforderlichen Integritätsprüfungen aufrechterhalten.

Durch die kontinuierliche Verfeinerung unseres Modells und der Ozone API wollen wir Entwicklern noch leistungsfähigere Werkzeuge an die Hand geben, um verteilte Anwendungen zu erstellen, die nicht nur effizient, sondern auch robust und einfach zu verwalten sind.