行為導向的 Python 並發處理

行為導向併發（Behavior-oriented concurrency，簡稱 BOC）是一種適合 Python 的新型平行與併發程式設計範式。

在 BOC 程式中，資料共享方式是讓每個行為在特定時間內擁有該資料的唯一擁有權，從而不需要使用鎖來協調存取。對 Python 程式設計師來說，這帶來許多好處。行為以裝飾器函式實現，從程式設計師的角度看，這些函式就像一般函式一樣。重要的是，程式設計師的任務從解決併發資料存取問題，轉變為組織資料流經函式。這使得程式更易理解、維護與擴充，並因能有效排程行為於多個程序中執行，解鎖多核心效能。

BOC 已在多種語言中實作，包括作為研究語言 Verona 的基礎，現在也已在 Python 中實現。

以下示範一個模擬煎蛋的程式：

當只有一位廚師時，沒有問題。但若加入第二位廚師，便可能產生問題。以程式設計術語來說，若將此單執行緒程式改為併發，資源將被共享，必須處理競爭。畢竟兩位廚師不能同時使用同一把刀！也必須處理操作順序，確保材料先準備好再使用。以下表格重新框架此程式：

理想狀況下，我們希望廚師能平行工作，以縮短早餐準備時間，如下圖所示：

若用傳統執行緒與鎖來編寫，可能會是這樣：

突然間變得複雜許多！首先，我們必須明確分配工作給不同執行緒。當然有自動化方法（如生產者/消費者佇列），但為簡化起見，我們將工作最佳分配給兩位廚師。其次，需要取得與釋放鎖。對廚師1來說相對簡單，但廚師2煎蛋時，還得等待廚師1準備好其他材料。這需要在每種材料上使用條件變數，讓廚師1能通知狀態變化。完整範例可見 Github。雖然可行，但我們相信有更簡單直觀的寫法。

cown（concurrent-owned variable，併發擁有變數）確保同一時間只有一個執行緒能存取其內容。此限制在 Python 的全域直譯器鎖（GIL）層級強制執行，意即 cown 同時只能被一個直譯器存取。然而，cown 的參考可在多個程序間共享。底層利用 Python 的跨直譯器資料 API，安全地在直譯器邊界間移動資料。舉例來說，若有一個 cown 被兩個不同直譯器引用：

此時，cown 內資料以跨直譯器資料（XIData）形式存在。

當直譯器 A 呼叫 acquire 時，cown 變更擁有權，內容用來建立一個可正常操作的新物件。

若直譯器 B 嘗試在直譯器 A 擁有時取得 cown，將拋出例外。只有一個直譯器可擁有 cown 的時間擁有權。

直譯器 A 修改 cown 內資料後釋放它。

直譯器 A 釋放後，cown 可再次被取得。

行為（behavior）是一段程式碼，執行前需取得零個或多個 cown。使用 Python 的 boc 函式庫，透過 @when 裝飾器定義：

此處注意幾點。首先，裝飾器列出行為依賴的 cown。接著，函式宣告參數數量與裝飾器中 cown 數量相同。最後，需透過 value 屬性存取 cown 內的值。宣告後，行為會在其 cown 可用時自動排程至下一個可用工作執行緒執行。行為還有其他特性，例如行為可產生另一行為：

此例中，一行為產生另一行為報告洋蔥狀態，不會阻塞主行為執行。因為此報告不需讀寫 cown 狀態，可無依賴排程，並在有空工作執行緒時執行，但會在目前取得的 cown 釋放後執行。若行為拋出例外怎麼辦？

此處示範如何基於行為結果排程工作。此例用於處理例外，也可用於取得計算結果並結合其他計算結果排程後續工作。接下來將以煎蛋範例展示 cown 與行為的應用。

使用 BOC 煮飯

了解 cown 與行為概念後，來看看如何重寫煎蛋範例：

程式變得更簡潔：無需鎖定。每個資源包裝成 cown。食譜因為不可變，不需包裝成 cown，可安全使用且無需協調。第二，所有依賴資源的動作明確宣告所需資源（使用 @when 裝飾器）。行為宣告順序決定排程順序，意即所有材料行為會先於煎蛋行為執行。結果是程式清晰易讀易理解。完整範例可見 Github。更多 BOC 範例也在我們的 Github 範例區。

BOC 的關鍵技術之一是 Erlang 式的 send 與 selective receive。底層以 C 語言實作快速非阻塞併發佇列，對使用者開放，方便跨執行緒與子直譯器通訊。send 函式永遠非阻塞，包含 tag（類似信箱）與 contents（可跨直譯器安全傳送的物件，使用跨直譯器 API，失敗時回退 pickle）。例如：send("calculator", ("+", 5))。

每則訊息可由 receive 指令接收。selective receive 可指定願意接收的 tag，例如：

match 陳述式是處理 receive 結果的理想方式。除了簡單阻塞呼叫，receive 也接受逾時設定，逾時時回傳特殊 tag 訊息，例如：

after 回呼可指定逾時時 receive 的回傳值。

想了解更多 send 與 receive 用法，請參考計算機範例。

boc 函式庫內建 Matrix 類別：一個由 C 支援的雙精度浮點數密集 2D 矩陣。因底層資料不在 Python 堆中，Matrix 可放入 cown，並在直譯器間安全共享，無需複製。

Matrix 支援元素對元素運算（+、-、*、/）及矩陣乘法（@）：

可使用整數、切片或（列，欄）元組索引：

因 Matrix 跨直譯器安全，能自然與 cown 及 @when 搭配使用：

此模式廣泛用於 boids 群聚模擬，數百代理同時更新位置與速度，跨多個直譯器併發執行。

noticeboard 是一個全域鍵值存儲，讓行為共享輕量且最終一致的狀態，無需專用 cown。適合發布設定、計數器或狀態標誌，供多數行為讀取，少數更新。

使用 notice_write 發布值，呼叫為 fire-and-forget，立即返回，值由專用 noticeboard 執行緒非同步應用：

在 @when 行為內，呼叫 noticeboard() 取得所有條目的唯讀快照，或用 notice_read 讀取單一鍵：