Синхронное и асинхронное взаимодействие
При описании взаимодействия между элементами программных систем инициатор взаимодействия, т.е. компонент, посылающий запрос на обработку, обычно называется клиентом, а отвечающий компонент, тот, что обрабатывает запрос — сервером. "Клиент" и "сервер" в этом контексте обозначают роли в рамках данного взаимодействия. В большинстве случаев один и тот же компонент может выступать в разных ролях — то клиента, то сервера — в различных взаимодействиях. Лишь в небольшом классе систем роли клиента и сервера закрепляются за компонентами на все время их существования.
Синхронным (synchronous) называется такое взаимодействие между компонентами, при котором клиент, отослав запрос, блокируется и может продолжать работу только после получения ответа от сервера. По этой причине такой вид взаимодействия называют иногда блокирующим (blocking).
Обычное обращение к функции или методу объекта с помощью передачи управления по стеку вызовов является примером синхронного взаимодействия.
увеличить изображение
Рис. 12.2. Синхронное взаимодействие
Синхронное взаимодействие достаточно просто организовать, и оно гораздо проще для понимания. Человеческое сознание обладает единственным "потоком управления", представленным в виде фокуса внимания, и поэтому человеку проще понимать процессы, которые разворачиваются последовательно, поскольку не нужно постоянно переключать внимание на происходящие одновременно различные события. Код программы клиентского компонента, описывающей синхронное взаимодействие, устроен проще — его часть, отвечающая за обработку ответа сервера, находится непосредственно после части, в которой формируется запрос. В силу своей простоты синхронные взаимодействия в большинстве систем используются гораздо чаще асинхронных.
Вместе с тем, синхронное взаимодействие ведет к значительным затратам времени на ожидание ответа. Это время часто можно использовать более полезным образом: ожидая ответа на один запрос, клиент мог бы заняться другой работой, выполнить другие запросы, которые не зависят от еще не пришедшего результата.
Поскольку все распределенные системы состоят из достаточно большого числа уровней, через которые проходят практически все взаимодействия, суммарное падение производительности, связанное с синхронностью взаимодействий, оказывается очень большим.
Наиболее распространенным и исторически первым достаточно универсальным способом реализации синхронного взаимодействия в распределенных системах является удаленный вызов процедур (Remote Procedure Call, RPC; вообще-то, по смыслу правильнее было бы сказать "дистанционный вызов процедур", но по историческим причинам закрепилась имеющаяся терминология). Его модификация для объектно-ориентированной среды называется удаленным вызовом методов (Remote Method Invocation, RMI). Удаленный вызов процедур определяет как способ организации взаимодействия между компонентами, так и методику разработки этих компонентов.
На первом шаге разработки определяется интерфейс процедур, которые будут использоваться для удаленного вызова. Это делается при помощи языка определения интерфейсов (Interface Definition Language, IDL), в качестве которого может выступать специализированный язык или обычный язык программирования, с ограничениями, определяющимися возможностью передачи вызовов на удаленную машину.
Определение процедуры для удаленных вызовов компилируется компилятором IDL в описание этой процедуры на языках программирования, на которых будут разрабатываться клиент и сервер (например, заголовочные файлы на C/C++), и два дополнительных компонента — клиентскую и серверную заглушки (client stub и server stub).
Клиентская заглушка представляет собой компонент, размещаемый на той же машине, где находится компонент-клиент. Удаленный вызов процедуры клиентом реализуется как обычный, локальный вызов определенной функции в клиентской заглушке. При обработке этого вызова клиентская заглушка выполняет следующие действия.
увеличить изображение
Рис. 12.3. Схема разработки компонентов, взаимодействующих с помощью RPC
- Определяется физическое местонахождение в системе сервера, для которого предназначен данный вызов. Это шаг называется привязкой (binding) к серверу. Его результатом является адрес машины, на которую нужно передать вызов.
- Вызов процедуры и ее аргументы упаковываются в сообщение в некотором формате, понятном серверной заглушке (см. далее). Этот шаг называется маршалингом (marshaling).
- Полученное сообщение преобразуется в поток байтов (это сериализация, serialization) и отсылается с помощью какого-либо протокола, транспортного или более высокого уровня, на машину, на которой помещен серверный компонент.
- После получения от сервера ответа, он распаковывается из сетевого сообщения и возвращается клиенту в качестве результата работы процедуры.
В результате для клиента удаленный вызов процедуры выглядит как обращение к обычной функции.
Серверная заглушка располагается на той же машине, где находится компонент-сервер. Она выполняет операции, обратные к действиям клиентской заглушки — принимает сообщение, содержащее аргументы вызова, распаковывает эти аргументы при помощи десериализации (deserialization) и демаршалинга (unmarshaling), вызывает локально соответствующую функцию серверного компонента, получает ее результат, упаковывает его и посылает по сети на клиентскую машину.
Таким образом обеспечивается отсутствие видимых серверу различий между удаленным вызовом некоторой его функции и ее же локальным вызовом.
Определив интерфейс процедур, вызываемых удаленно, мы можем перейти к разработке сервера, реализующего эти процедуры, и клиента, использующего их для решения своих задач.
При удаленном вызове процедуры клиентом его обращение оформляется так же, как вызов локальной функции и обрабатывается клиентской заглушкой. Клиентская заглушка определяет адрес машины, на которой находится сервер, упаковывает данные вызова в сообщение и отправляет его на серверную машину. На серверной машине серверная заглушка, получив сообщение, распаковывает его, извлекает аргументы вызова, обращается к серверу с таким вызовом локально, дожидается от него результата, упаковывает результат в сообщение и отправляет его обратно на клиентскую машину.
Получив ответное сообщение, клиентская заглушка распаковывает его и передает полученный ответ клиенту.
Эта же техника может быть использована и для реализации взаимодействия компонентов, работающих в рамках различных процессов на одной машине.
увеличить изображение
Рис. 12.4. Схема реализации удаленного вызова процедуры
При организации удаленного вызова методов в объектно-ориентированной среде применяются такие же механизмы. Отличия в его реализации связаны со следующими аспектами.
- Один объект-сервер может предоставлять несколько методов для удаленного обращения к ним.
Для такого объекта генерируются клиентские заглушки, имеющие в своем интерфейсе все эти методы. Кроме того, информация о том, какой именно метод вызывается, должна упаковываться вместе с аргументами вызова и использоваться серверной заглушкой для обращения именно к этому методу.
Серверная заглушка в контексте RMI иногда называется скелетоном (skeleton) или каркасом. - В качестве аргументов удаленного вызова могут выступать объекты.
Заметим, что передача указателей в аргументах удаленного вызова процедур практически всегда запрещена — указатели привязаны к памяти данного процесса и не могут быть переданы в другой процесс.
При передаче объектов возможны два подхода, и оба они используются на практике.- Идентичность передаваемого объекта может не иметь значения, например, если сервер использует его только как хранилище данных и получит тот же результат при работе с правильно построенной его копией. В этом случае определяются методы для сериализации и десериализации данных объекта, которые позволяют сохранить их в виде потока байтов и восстановить объект с теми же данными на другой стороне.
- Идентичность передаваемого объекта может быть важна, например, если сервер вызывает в нем методы, работа которых зависит от того, что это за объект. При этом используется особого рода ссылка на этот объект, позволяющая обратиться к нему из другого процесса или с другой машины, т.е. тоже с помощью удаленного вызова методов.
В рамках асинхронного (asynchronous) или неблокирующего (non blocking) взаимодействия клиент после отправки запроса серверу может продолжать работу, даже если ответ на запрос еще не пришел.
Примером асинхронного взаимодействия является электронная почта. Другой пример — распространение сообщений о новостях различных видов в соответствии с имеющимся на текущий момент реестром подписчиков, где каждый подписчик определяет темы, которые его интересуют.
увеличить изображение
Рис. 12.5. Асинхронное взаимодействие
Асинхронное взаимодействие позволяет получить более высокую производительность системы за счет использования времени между отправкой запроса и получением ответа на него для выполнения других задач. Другое важное преимущество асинхронного взаимодействия — меньшая зависимость клиента от сервера, возможность продолжать работу, даже если машина, на которой находится сервер, стала недоступной. Это свойство используется для организации надежной связи между компонентами, работающей, даже если и клиент, и сервер не все время находятся в рабочем состоянии.
В то же время асинхронные взаимодействия более сложно использовать. Поскольку при таком взаимодействии нужно писать специфический код для получения и обработки результатов запросов, системы, основанные на асинхронных взаимодействиях между своими компонентами, значительно труднее разрабатывать и сопровождать.
Чаще всего асинхронное взаимодействие реализуется при помощи очередей сообщений. При отправке сообщения клиент помещает его во входную очередь сервера, а сам продолжает работу. После того, как сервер обработает все предшествующие сообщения в очереди, он выбирает это сообщение для обработки, удаляя его из очереди. После обработки, если необходим ответ, сервер создает сообщение, содержащее результаты обработки, и кладет его во входную очередь клиента или в свою выходную.
увеличить изображение
Рис. 12.6. Реализация асинхронного взаимодействия при помощи очередей сообщений
Очереди сообщений могут быть сконфигурированы самыми разными способами.У компонента может иметься одна входная очередь, а может — и несколько, для сообщений от разных источников или имеющих разный смысл. Кроме того, компонент может иметь выходную очередь, или несколько, вместо того, чтобы класть сообщения во входные очереди других компонентов. Очереди сообщений могут храниться независимо как от тех компонентов, которые кладут туда сообщения, так и от тех, которые забирают их оттуда. Сообщения в очередях могут иметь приоритеты, а сама очередь — реализовывать различные политики поддержания или изменения приоритетов сообщений в ходе работы.
