Reactive Programming. Funktionale Programmierung. Christoph Knabe FB VI

Transkript

1 Reactive Programming Funktionale Programmierung Christoph Knabe FB VI

2 Inhalt Reactive Programming Was ist Reactive Programming Geschichte der asynchronen Programmierung Wo bleibt die Zeit? Wartefreies Arbeiten Probleme von Threads Parallelitätswahn Das Aktorenmodell, Actor-Bibliotheken, Akka Ein Ping-Pong-Beispiel Nachrichten definieren, verarbeiten, senden ActorRef, ActorSystem, ActorContext, Scheduler Zusammenfassung 2

3 Reactive Programming Was ist Reactive Programming Moderner Architekturstil In Gartner: Hype Cycle for Application Architecture : 2014 On the Rise, 2015 At the Peak Beschrieben in The Reactive Manifesto V2 Deutlich detaillierter in V1 Eigenschaften: Responsive, kurze Antwortzeiten Resilient unverwüstlich, antwortet auch im Fehlerfall Elastic antwortet auch bei hoher Belastung Message Driven basiert auf asynchroner Nachrichtenübermittlung. 3

4 Reactive Programming Geschichte: Synchrone Programmierung Computer begannen synchron Zuse 22 (1957): Befehle kamen direkt vom Trommelspeicher 0,6ms pro Befehl (Int-Addition) Kein Zeitverlust, wenn Befehle nur sequentiell Zeitverlust Ø ½ Umdrehung = 9,6 ms bei Sprung 4

5 Reactive Programming Geschichte der asynchronen Programmierung CPU schnell, Ein/Ausgabe langsam Wie CPU ausnützen? Multiprogramming (LEO III, 1961) I/O-Wartezeiten überbrücken durch Context Switch Multi-Tasking (pdp-8, 1965) Mehrbenutzerbetrieb, unabhängige Prozesse, regelmäßiger Context Switch für Antwortzeitgarantie 5

6 Wo bleibt die Zeit? Reactive Programming Wartezeiten nach Peter Norvig Latency numbers every programmer should know: 0.5 ns L1 cache reference 7 ns L2 cache reference 100 ns Main memory reference 150 µs SSD random read 10 ms Hard Disk seek 150 ms Send package US-CA NL CA Punktediagramm ansehen in Ausprobieren ping java.sun.com 6

7 Reactive Programming Wie kann ich mir das vorstellen? Übersetzt in menschliche Dimensionen * 10 9 Würden Sie gern so lange warten? Sek. L1 cache reference 7 Sek. L2 cache reference 100 Sek. Main memory reference 1,7 Tage SSD random read 16,5 Wochen Disk seek 4,8 Jahre Send package US-CA NL CA 7

8 Wartefreies Arbeiten Reactive Programming Multi-Tasking (z.b. Unix) Unabhängige Prozesse mit je eigenem Speicher Kommunikation durch Mailboxen oder Dateisystem Sicher, aber aufwändig (Speicher, Prozesswechsel) Multithreading In einem Prozess laufen mehrere Threads parallel. Gemeinsamer Arbeitsspeicher und Dateideskriptoren Eigener Registersatz und Call-Stack Viel sparsamer als unabhängige Prozesse Synchronisationsbedarf wegen gemeinsam genutzter Ressourcen. 8

9 Reactive Programming Viele Köche verderben den Brei In Java parallele Programmierung mit Threads: Thread = sequentieller Ablauffaden parallele Ausführung mehrerer Threads gemeinsame Daten müssen in synchronized-objekt versteckt werden. Folgt C.A.R. Hoare: Monitors: An Operating System Structuring Concept, 1974 Probleme: Inkonsistenzen, wenn Zugriff auf gemeinsame Daten nicht synchronized läuft. Verlangsamung wegen Wartens auf synchronized-objekt Deadlocks bei gegenseitigem Warten Starvation (Verhungern) bei ungerechtem Scheduling und mehreren Wartenden. 9

10 Im Parallelitätswahn Reactive Programming Auf Java Servlet Platform (JEE): Jeder Request erhält eigenen Thread. Belegt diesen, bis die Antwort abgeliefert ist. Also ca. 150 ms ( 5 Jahre!) Davon das meiste Wartezeit! Ein Thread belegt ca. 1 MB. Parallelitätsbedarf: Google: Wieviel Requests pro Sekunde? Google-Antwortzeit? time wget Multiplizieren 10

11 Reactive Programming Diensteaggregation Verschärfung des Warteproblems Beispiel Flugsuche: Anfrage mit Zielort Folgeanfrage bei Bahn Warten auf Flughäfen Folgeanfrage bei Fliegern Warten auf Flüge Antwort mit Flügen Flugsuche Synchroner Ansatz (Threads): Warten kaskadiert. Asynchroner Ansatz: Anfrage blockiert keine Ressourcen. 11

12 Eine reaktive Website Reactive Programming kono.be/vivo: Vielsprachige Terminologie-Anwendung Sucht Übersetzungen und Artikel Aggregiert zahlreiche Sprachsites Oberfläche voll asynchron Suchen z.b. nach Blog (en) 12

13 Reactive Programming Wie Parallelität bewältigen? Actor Model: Nachrichtenbasiert Futures (+ Promises): Dienstaufruf liefert Future Returniert sofort. Ruft den Aufrufer mit Ergebnis (Callback). Reactive Streams: Modellierung von asynchronen Datenflüssen Standard-Interfaces auf JVM Implementierungen Akka, Ratpack, Reactor, RxJava, Vert.x, DB-Treiber 13

14 Ein Aktor steht höher Reactive Programming Monitor-Konzept kam aus Betriebssystemen. Aktorenmodell kam aus der Künstlichen Intelligenz Carl Hewitt, Peter Bishop, Richard Steiger: A Universal Modular Actor Formalism for Artificial Intelligence, 1973 höherwertige Abstraktion kein geteilter Zustand Aktor-Eigenschaften Läuft parallel zu anderen Aktoren. Reagiert auf Nachrichten sequentiell. Kann Nachrichten versenden. Kapselt eigenen Zustand. Alle zusammen benötigen nur 1 Thread je CPU-Kern. Frage: Wieviel Threads bzw. Actors können Sie im gleichen Arbeitsspeicher erzeugen? 14

15 Aktor-Praxis Reactive Programming Act-1 (MIT, 1981, Henry Liebermann) Jedes Objekt war ein Aktor. Benutzt für Künstliche Intelligenz. Erlang (Ericsson, 1987, Joe Amstrong) Funktionale Sprache Aktor ist Teil der Sprache. Zustand nur im Aktor Einsatz im Telekommunikationsbereich Äußerst geringe Ausfallquote Vorbild für Scala-Aktoren. 15

16 Reactive Programming Aktor-Bibliotheken in Scala Package scala.lang.actors Zunächst einzige Aktor-Implementierung in Scala Seit Scala 2.10 deprecated. Lift Actors Wurden im Web-Framework Lift wegen Performanzproblemen der scala.lang.actors eingeführt. Sehr leichtgewichtig Akka Actors Populärste Scala-Aktor-Bibliothek Mit Scala- und Java-API Hierarchisches Aktor-Modell Wenn Aktor ausfällt, Neustart durch Mutter-Aktor 16

17 Reactive Programming Akka-Aktoren anfordern in build.sbt Scala-Version festlegen: scalaversion := "2.10.4" Abhängigkeit von Akka-Aktoren angeben: librarydependencies ++= Seq( "com.typesafe.akka" %% "akka-actor" % "2.3.5" ) 17

18 Reactive Programming Wir wollen Ping-Pong spielen Ein Reflector soll Ping-Nachrichten verstehen: object Reflector { case class Ping(id: Int) } Ein Reflector ist ein Actor: class Reflector extends Actor with ActorLogging Ein Actor startet sofort nach Erzeugung. Ein Actor darf Zustand haben: var count = 0 18

19 Reactive Programming Nachrichtenverarbeitung im Aktor Er erhält seine Nachrichten sequentiell Nachrichtenverarbeitung wirkt wie Transaktion auf seinen Zustand: count += 1 Ein Actor lauscht auf Nachrichten mit receive: def receive: Receive = { case p: Ping => count += 1 log.debug(s"received $p as #$count.") } Typ Receive ist partielle Abbildung Any => Unit 19

20 Nachrichten senden Reactive Programming Der Thrower muss wissen, wohin Ping senden: class Thrower(reflector: ActorRef) extends Actor with ActorLogging Er soll 100 Ping-Nachrichten senden: for(i <- 1 to 100) { reflector! Reflector.Ping(i) }! sendet asynchron. Man nennt es den Bang-Operator. 20

21 Aktoren erzeugen Reactive Programming Wir brauchen zuerst ein ActorSystem: Im ActorSystem leben die Aktoren. val system = ActorSystem("PingPong") Erzeugen des parameterlosen Reflector-Aktors: val reflector: ActorRef = system.actorof(props[reflector], "Reflector") Erzeugen des parametrierten Thrower-Aktors: system.actorof( Props(classOf[Thrower], reflector), "Thrower" ) 21

22 Aktor-Regeln Reactive Programming Nie Referenz auf ein Actor-Objekt weitergeben. Das ActorSystem muss die Fäden in der Hand behalten. val system = ActorSystem("PingPong") Nicht warten im Actor: Kein Thread.sleep()! Keine Aufrufe von blockierenden Methoden wie in java.io oder traditionellen Datenbanktreibern! Verzögerte Aktionen mit Scheduler einplanen. Nur unveränderliche Objekte versenden! 22

23 Reactive Programming Actor-Methoden im Trait Actor ActorRef auf eigenen Actor liefern: self Bsp. Nachricht an sich selbst senden: self! Nachricht(...) ActorRef auf Absender-Actor liefern: sender Bsp. Antwort an Absender senden: sender! Antwort(...) Kontext des Actors liefern: context Nur im aktuellen Aktor gültig! 23

24 Reactive Programming Kontext-Methoden im Trait ActorContext Das ActorSystem liefern: context.system Bsp. System herunterfahren: context.system.shutdown() ActorRef auf Mutter-Actor liefern: context.parent Aktuelles Verhalten durch neues ersetzen: context become newreceivemethod Tod eines anderen Aktors überwachen: context watch otheractorref 24

25 Der Scheduler Reactive Programming Dient zum Einplanen von Nachrichtenlesen und Aktionen. Siehe Einmalige Nachricht an sich einplanen, Bsp.: import scala.concurrent.duration._ context.system.scheduler.scheduleonce( 5.millis, self, "Shutdown" )(context.dispatcher, self) Regelmäßige Nachricht mittels schedule 25

26 Ping-Pong vorführen Reactive Programming In IDEA Projekt frp5scala öffnen Klassen PingPongMain, Reflector, Thrower PingPongMain mehrmals starten Undeterministisches Verhalten wegen Shutdown- Kommando nach 5 Millisekunden 26

27 Zusammenfassung Reactive Programming Reactive Systems: Schnelle, unverwüstliche, skalierbare Systeme basierend auf asynchronem Nachrichtenversand Aktorenmodell: Kein geteilter Zustand mittels asynchronem Nachrichtenversand Kein Warten, sondern bei Nachricht reagieren gut parallelisierbar und skalierbar 27

28 Quellen Reactive Programming Gartner-Analyse zum Hypecycle in Appl.Arch Gartner-Analyse zum Hypecycle in Appl.Arch The Reactive Manifesto V2 Principles of Reactive Programming MOOC der EPFL, jetzt Nachfolge: 5 Kurse Futures, Actors, Reactive Streams Sehr gute, aber harte Einführung 28

29 Quellen: Vielen Dank