Panduan untuk Skyframe StateMachines

Ringkasan

StateMachine Skyframe adalah objek fungsi yang didekonsektur dan berada di heap. Vertex AI mendukung fleksibilitas dan evaluasi tanpa redundansi¹ saat nilai yang diperlukan tidak segera tersedia, tetapi dikomputasi secara asinkron. StateMachine tidak dapat mengikat resource thread saat menunggu, tetapi harus ditangguhkan dan dilanjutkan. Dengan demikian, dekonstruksi mengekspos titik re-entry eksplisit sehingga komputasi sebelumnya dapat dilewati.

StateMachine dapat digunakan untuk mengekspresikan urutan, cabang, konkurensi logis terstruktur, dan disesuaikan secara khusus untuk interaksi Skyframe. StateMachine dapat disusun menjadi StateMachine yang lebih besar dan berbagi sub-StateMachine. Serentak selalu bersifat hierarkis berdasarkan konstruksi dan sepenuhnya logis. Setiap subtugas serentak berjalan di satu thread SkyFunction induk bersama.

Pengantar

Bagian ini secara singkat memotivasi dan memperkenalkan StateMachine, yang ditemukan dalam paket java.com.google.devtools.build.skyframe.state.

Pengantar singkat tentang mulai ulang Skyframe

Skyframe adalah framework yang melakukan evaluasi paralel grafik dependensi. Setiap node dalam grafik sesuai dengan evaluasi SkyFunction dengan SkyKey yang menentukan parameternya dan SkyValue yang menentukan hasilnya. Model komputasi sedemikian rupa sehingga SkyFunction dapat mencari SkyValues melalui SkyKey, yang memicu evaluasi paralel rekursif untuk SkyFunction tambahan. Alih-alih pemblokiran, yang akan mengikat thread, saat SkyValue yang diminta belum siap karena beberapa subgrafik komputasi tidak lengkap, SkyFunction yang meminta akan mengamati respons null getValue dan harus menampilkan null, bukan SkyValue, yang menandakan bahwa SkyValue tidak lengkap karena input tidak ada. Skyframe memulai ulang SkyFunctions saat semua SkyValues yang diminta sebelumnya tersedia.

Sebelum diperkenalkannya SkyKeyComputeState, cara tradisional untuk menangani mulai ulang adalah dengan menjalankan ulang komputasi sepenuhnya. Meskipun memiliki kompleksitas kuadratik, fungsi yang ditulis dengan cara ini pada akhirnya akan selesai karena setiap pengulangan, lebih sedikit pencarian yang menampilkan null. Dengan SkyKeyComputeState, Anda dapat mengaitkan data titik pemeriksaan yang ditentukan secara manual dengan SkyFunction, sehingga menghemat komputasi ulang yang signifikan.

StateMachine adalah objek yang berada di dalam SkyKeyComputeState dan menghilangkan hampir semua komputasi ulang saat SkyFunction dimulai ulang (dengan asumsi bahwa SkyKeyComputeState tidak keluar dari cache) dengan mengekspos hook eksekusi jeda dan lanjutkan.

Komputasi stateful di dalam SkyKeyComputeState

Dari sudut pandang desain berorientasi objek, sebaiknya pertimbangkan untuk menyimpan objek komputasi di dalam SkyKeyComputeState, bukan nilai data murni. Di Java, deskripsi minimum dari perilaku yang membawa objek adalah antarmuka fungsional dan ternyata sudah memadai. StateMachine memiliki definisi rekursif yang aneh berikut².

@FunctionalInterface
public interface StateMachine {
  StateMachine step(Tasks tasks) throws InterruptedException;
}

Antarmuka Tasks setara dengan SkyFunction.Environment, tetapi dirancang untuk asinkron dan menambahkan dukungan untuk subtugas serentak secara logis³.

Nilai yang ditampilkan step adalah StateMachine lain, yang memungkinkan spesifikasi urutan langkah secara induktif. step menampilkan DONE saat StateMachine selesai. Contoh:

class HelloWorld implements StateMachine {
  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    System.out.println("hello");
    return this::step2;  // The next step is HelloWorld.step2.
  }

  private StateMachine step2(Tasks tasks) {
     System.out.println("world");
     // DONE is special value defined in the `StateMachine` interface signaling
     // that the computation is done.
     return DONE;
  }
}

menjelaskan StateMachine dengan output berikut.

hello
world

Perhatikan bahwa referensi metode this::step2 juga merupakan StateMachine karena step2 memenuhi definisi antarmuka fungsional StateMachine. Referensi metode adalah cara paling umum untuk menentukan status berikutnya di StateMachine.

Secara intuitif, memecah komputasi menjadi langkah-langkah StateMachine, bukan fungsi monolitik, akan memberikan hook yang diperlukan untuk menangguhkan dan melanjutkan komputasi. Saat StateMachine.step ditampilkan, ada titik penangguhan eksplisit. Lanjutan yang ditentukan oleh nilai StateMachine yang ditampilkan adalah titik lanjutkan eksplisit. Dengan demikian, komputasi ulang dapat dihindari karena komputasi dapat dilanjutkan persis dari tempat terakhir.

Callback, kelanjutan, dan komputasi asinkron

Dalam istilah teknis, StateMachine berfungsi sebagai lanjutan, yang menentukan komputasi berikutnya yang akan dieksekusi. Daripada memblokir, StateMachine dapat menunda secara sukarela dengan kembali dari fungsi step, yang mentransfer kontrol kembali ke instance Driver. Kemudian, Driver dapat beralih ke StateMachine yang siap atau melepaskan kontrol kembali ke Skyframe.

Biasanya, callback dan kelanjutan digabungkan menjadi satu konsep. Namun, StateMachine mempertahankan perbedaan antara keduanya.

• Callback - menjelaskan tempat menyimpan hasil komputasi asinkron.
• Lanjutan - menentukan status eksekusi berikutnya.

Callback diperlukan saat memanggil operasi asinkron, yang berarti bahwa operasi sebenarnya tidak langsung terjadi setelah memanggil metode, seperti dalam kasus pencarian SkyValue. Callback harus dibuat sesederhana mungkin.

Lanjutan adalah nilai StateMachine yang ditampilkan dari StateMachine dan mengenkapsulasi eksekusi kompleks yang mengikuti setelah semua komputasi asinkron diselesaikan. Pendekatan terstruktur ini membantu menjaga kompleksitas callback tetap dapat dikelola.

Tugas

Antarmuka Tasks menyediakan StateMachine dengan API untuk mencari SkyValues berdasarkan SkyKey dan menjadwalkan subtugas serentak.

interface Tasks {
  void enqueue(StateMachine subtask);

  void lookUp(SkyKey key, Consumer<SkyValue> sink);

  <E extends Exception>
  void lookUp(SkyKey key, Class<E> exceptionClass, ValueOrExceptionSink<E> sink);

  // lookUp overloads for 2 and 3 exception types exist, but are elided here.
}

Pencarian SkyValue

StateMachine menggunakan overload Tasks.lookUp untuk mencari SkyValues. Keduanya analog dengan SkyFunction.Environment.getValue dan SkyFunction.Environment.getValueOrThrow serta memiliki semantik penanganan pengecualian yang serupa. Implementasi tersebut tidak langsung melakukan pencarian, tetapi akan mengelompokkan⁴ pencarian sebanyak mungkin sebelum melakukannya. Nilai ini mungkin tidak segera tersedia, misalnya, memerlukan mulai ulang Skyframe, sehingga pemanggil menentukan tindakan yang harus dilakukan dengan nilai yang dihasilkan menggunakan callback.

Prosesor StateMachine (Driver dan jembatan ke SkyFrame) menjamin bahwa nilai tersedia sebelum status berikutnya dimulai. Berikut adalah contohnya.

class DoesLookup implements StateMachine, Consumer<SkyValue> {
  private Value value;

  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    tasks.lookUp(new Key(), (Consumer<SkyValue>) this);
    return this::processValue;
  }

  // The `lookUp` call in `step` causes this to be called before `processValue`.
  @Override  // Implementation of Consumer<SkyValue>.
  public void accept(SkyValue value) {
    this.value = (Value)value;
  }

  private StateMachine processValue(Tasks tasks) {
    System.out.println(value);  // Prints the string representation of `value`.
    return DONE;
  }
}

Pada contoh di atas, langkah pertama melakukan pencarian untuk new Key(), dengan meneruskan this sebagai konsumen. Hal ini dimungkinkan karena DoesLookup mengimplementasikan Consumer<SkyValue>.

Berdasarkan kontrak, sebelum status berikutnya DoesLookup.processValue dimulai, semua pencarian DoesLookup.step akan selesai. Oleh karena itu, value tersedia saat diakses di processValue.

Subtugas

Tasks.enqueue meminta eksekusi subtugas serentak secara logis. Subtugas juga merupakan StateMachine dan dapat melakukan apa pun yang dapat dilakukan StateMachine reguler, termasuk membuat lebih banyak subtugas secara rekursif atau mencari SkyValues. Sama seperti lookUp, driver mesin status memastikan bahwa semua subtugas telah selesai sebelum melanjutkan ke langkah berikutnya. Berikut adalah contohnya.

class Subtasks implements StateMachine {
  private int i = 0;

  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    tasks.enqueue(new Subtask1());
    tasks.enqueue(new Subtask2());
    // The next step is Subtasks.processResults. It won't be called until both
    // Subtask1 and Subtask 2 are complete.
    return this::processResults;
  }

  private StateMachine processResults(Tasks tasks) {
    System.out.println(i);  // Prints "3".
    return DONE;  // Subtasks is done.
  }

  private class Subtask1 implements StateMachine {
    @Override
    public StateMachine step(Tasks tasks) {
      i += 1;
      return DONE;  // Subtask1 is done.
    }
  }

  private class Subtask2 implements StateMachine {
    @Override
    public StateMachine step(Tasks tasks) {
      i += 2;
      return DONE;  // Subtask2 is done.
    }
  }
}

Meskipun Subtask1 dan Subtask2 secara logis bersifat serentak, semuanya berjalan dalam satu thread sehingga update "serentak" i tidak memerlukan sinkronisasi apa pun.

Serentak dan terstruktur

Karena setiap lookUp dan enqueue harus diselesaikan sebelum melanjutkan ke status berikutnya, ini berarti bahwa konkurensi secara alami terbatas pada struktur hierarki. Anda dapat membuat konkurensi ⁵ hierarkis seperti yang ditunjukkan dalam contoh berikut.

Sulit untuk mengetahui dari UML bahwa struktur konkurensi membentuk hierarki. Ada tampilan alternatif yang lebih baik menunjukkan struktur hierarki.

Konkurensi terstruktur jauh lebih mudah dipahami.

Pola alur kontrol dan komposisi

Bagian ini menampilkan contoh cara menyusun beberapa StateMachine dan solusi untuk masalah alur kontrol tertentu.

Status berurutan

Ini adalah pola alur kontrol yang paling umum dan mudah. Contoh hal ini ditunjukkan dalam Komputasi stateful di dalam SkyKeyComputeState.

Percabangan

Status cabang di StateMachine dapat dicapai dengan menampilkan nilai yang berbeda menggunakan alur kontrol Java reguler, seperti yang ditunjukkan dalam contoh berikut.

class Branch implements StateMachine {
  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    // Returns different state machines, depending on condition.
    if (shouldUseA()) {
      return this::performA;
    }
    return this::performB;
  }
  …
}

Sangat umum bagi cabang tertentu untuk menampilkan DONE, untuk penyelesaian awal.

Komposisi berurutan lanjutan

Karena struktur kontrol StateMachine tidak memiliki memori, berbagi definisi StateMachine sebagai subtugas terkadang bisa terasa canggung. Misalkan M₁ dan M₂ adalah instance StateMachine yang berbagi StateMachine, S, dengan M₁ dan M₂ masing-masing adalah urutan <A, S, B> dan <X, S, Y>. Masalahnya adalah S tidak tahu apakah harus melanjutkan ke B atau Y setelah selesai dan StateMachine tidak cukup menyimpan stack panggilan. Bagian ini meninjau beberapa teknik untuk mencapai hal ini.

StateMachine sebagai elemen urutan terminal

Tindakan ini tidak menyelesaikan masalah awal yang diajukan. Ini hanya menunjukkan komposisi berurutan saat StateMachine bersama adalah terminal dalam urutan.

// S is the shared state machine.
class S implements StateMachine { … }

class M1 implements StateMachine {
  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    performA();
    return new S();
  }
}

class M2 implements StateMachine {
  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    performX();
    return new S();
  }
}

Hal ini berfungsi meskipun S itu sendiri adalah mesin status yang kompleks.

Subtugas untuk komposisi berurutan

Karena subtugas yang diantrekan dijamin akan selesai sebelum status berikutnya, terkadang mungkin ada sedikit penyalahgunaan⁶ mekanisme subtugas.

class M1 implements StateMachine {
  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    performA();
    // S starts after `step` returns and by contract must complete before `doB`
    // begins. It is effectively sequential, inducing the sequence < A, S, B >.
    tasks.enqueue(new S());
    return this::doB;
  }

  private StateMachine doB(Tasks tasks) {
    performB();
    return DONE;
  }
}

class M2 implements StateMachine {
  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    performX();
    // Similarly, this induces the sequence < X, S, Y>.
    tasks.enqueue(new S());
    return this::doY;
  }

  private StateMachine doY(Tasks tasks) {
    performY();
    return DONE;
  }
}

Injeksi runAfter

Terkadang, penyalahgunaan Tasks.enqueue tidak mungkin dilakukan karena ada subtugas paralel atau panggilan Tasks.lookUp lain yang harus diselesaikan sebelum S dieksekusi. Dalam hal ini, memasukkan parameter runAfter ke dalam S dapat digunakan untuk memberi tahu S tentang tindakan selanjutnya.

class S implements StateMachine {
  // Specifies what to run after S completes.
  private final StateMachine runAfter;

  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    … // Performs some computations.
    return this::processResults;
  }

  @Nullable
  private StateMachine processResults(Tasks tasks) {
    … // Does some additional processing.

    // Executes the state machine defined by `runAfter` after S completes.
    return runAfter;
  }
}

class M1 implements StateMachine {
  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    performA();
    // Passes `this::doB` as the `runAfter` parameter of S, resulting in the
    // sequence < A, S, B >.
    return new S(/* runAfter= */ this::doB);
  }

  private StateMachine doB(Tasks tasks) {
    performB();
    return DONE;
  }
}

class M2 implements StateMachine {
  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    performX();
    // Passes `this::doY` as the `runAfter` parameter of S, resulting in the
    // sequence < X, S, Y >.
    return new S(/* runAfter= */ this::doY);
  }

  private StateMachine doY(Tasks tasks) {
    performY();
    return DONE;
  }
}

Pendekatan ini lebih bersih daripada menyalahgunakan subtugas. Namun, menerapkannya terlalu longgar, misalnya, dengan menyusun beberapa StateMachine dengan runAfter, adalah jalan menuju Callback Hell. Sebaiknya bagi runAfter berurutan dengan status berurutan biasa.

  return new S(/* runAfter= */ new T(/* runAfter= */ this::nextStep))

dapat diganti dengan yang berikut.

  private StateMachine step1(Tasks tasks) {
     doStep1();
     return new S(/* runAfter= */ this::intermediateStep);
  }

  private StateMachine intermediateStep(Tasks tasks) {
    return new T(/* runAfter= */ this::nextStep);
  }

Alternatif Dilarang: runAfterUnlessError

Dalam draf sebelumnya, kita telah mempertimbangkan runAfterUnlessError yang akan membatalkan kesalahan sejak awal. Hal ini dimotivasi oleh fakta bahwa error sering kali diperiksa dua kali, sekali oleh StateMachine yang memiliki referensi runAfter dan sekali oleh mesin runAfter itu sendiri.

Setelah beberapa pertimbangan, kami memutuskan bahwa keseragaman kode lebih penting daripada menghapus duplikat pemeriksaan error. Akan membingungkan jika mekanisme runAfter tidak berfungsi secara konsisten dengan mekanisme tasks.enqueue, yang selalu memerlukan pemeriksaan error.

Delegasi langsung

Setiap kali ada transisi status formal, loop Driver utama akan maju. Sesuai dengan kontrak, status maju berarti semua pencarian dan subtugas SkyValue yang diantrekan sebelumnya diselesaikan sebelum status berikutnya dieksekusi. Terkadang logika StateMachine delegasi membuat kemajuan fase tidak diperlukan atau berlawanan. Misalnya, jika step pertama dari delegasi melakukan pencarian SkyKey yang dapat diparalelkan dengan pencarian status yang mendelegasikan, maka kemajuan fase akan membuatnya berurutan. Akan lebih baik jika Anda melakukan delegasi langsung, seperti yang ditunjukkan dalam contoh di bawah.

class Parent implements StateMachine {
  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks ) {
    tasks.lookUp(new Key1(), this);
    // Directly delegates to `Delegate`.
    //
    // The (valid) alternative:
    //   return new Delegate(this::afterDelegation);
    // would cause `Delegate.step` to execute after `step` completes which would
    // cause lookups of `Key1` and `Key2` to be sequential instead of parallel.
    return new Delegate(this::afterDelegation).step(tasks);
  }

  private StateMachine afterDelegation(Tasks tasks) {
    …
  }
}

class Delegate implements StateMachine {
  private final StateMachine runAfter;

  Delegate(StateMachine runAfter) {
    this.runAfter = runAfter;
  }

  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    tasks.lookUp(new Key2(), this);
    return …;
  }

  // Rest of implementation.
  …

  private StateMachine complete(Tasks tasks) {
    …
    return runAfter;
  }
}

Aliran data

Fokus diskusi sebelumnya adalah mengelola alur kontrol. Bagian ini menjelaskan penyebaran nilai data.

Mengimplementasikan callback Tasks.lookUp

Ada contoh penerapan callback Tasks.lookUp di penelusuran SkyValue. Bagian ini memberikan alasan dan menyarankan pendekatan untuk menangani beberapa SkyValues.

Callback Tasks.lookUp

Metode Tasks.lookUp menggunakan callback, sink, sebagai parameter.

  void lookUp(SkyKey key, Consumer<SkyValue> sink);

Pendekatan idiomatis adalah menggunakan lambda Java untuk menerapkannya:

  tasks.lookUp(key, value -> myValue = (MyValueClass)value);

dengan myValue sebagai variabel anggota instance StateMachine yang melakukan lookup. Namun, lambda memerlukan alokasi memori tambahan dibandingkan dengan menerapkan antarmuka Consumer<SkyValue> dalam penerapan StateMachine. Lambda masih berguna jika ada beberapa pencarian yang akan ambigu.

Ada juga error yang menangani overload Tasks.lookUp, yang setara dengan SkyFunction.Environment.getValueOrThrow.

  <E extends Exception> void lookUp(
      SkyKey key, Class<E> exceptionClass, ValueOrExceptionSink<E> sink);

  interface ValueOrExceptionSink<E extends Exception> {
    void acceptValueOrException(@Nullable SkyValue value, @Nullable E exception);
  }

Contoh implementasi ditunjukkan di bawah ini.

class PerformLookupWithError extends StateMachine, ValueOrExceptionSink<MyException> {
  private MyValue value;
  private MyException error;

  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    tasks.lookUp(new MyKey(), MyException.class, ValueOrExceptionSink<MyException>) this);
    return this::processResult;
  }

  @Override
  public acceptValueOrException(@Nullable SkyValue value, @Nullable MyException exception) {
    if (value != null) {
      this.value = (MyValue)value;
      return;
    }
    if (exception != null) {
      this.error = exception;
      return;
    }
    throw new IllegalArgumentException("Both parameters were unexpectedly null.");
  }

  private StateMachine processResult(Tasks tasks) {
    if (exception != null) {
      // Handles the error.
      …
      return DONE;
    }
    // Processes `value`, which is non-null.
    …
  }
}

Seperti pencarian tanpa penanganan error, memiliki class StateMachine yang langsung menerapkan callback akan menghemat alokasi memori untuk lamba.

Penanganan error memberikan sedikit detail lebih lanjut, tetapi pada dasarnya, tidak ada banyak perbedaan antara penyebaran error dan nilai normal.

Menggunakan beberapa SkyValues

Sering kali diperlukan beberapa pencarian SkyValue. Pendekatan yang paling sering waktu adalah dengan mengaktifkan jenis SkyValue. Berikut adalah contoh yang telah disederhanakan dari kode produksi prototipe.

  @Nullable
  private StateMachine fetchConfigurationAndPackage(Tasks tasks) {
    var configurationKey = configuredTarget.getConfigurationKey();
    if (configurationKey != null) {
      tasks.lookUp(configurationKey, (Consumer<SkyValue>) this);
    }

    var packageId = configuredTarget.getLabel().getPackageIdentifier();
    tasks.lookUp(PackageValue.key(packageId), (Consumer<SkyValue>) this);

    return this::constructResult;
  }

  @Override  // Implementation of `Consumer<SkyValue>`.
  public void accept(SkyValue value) {
    if (value instanceof BuildConfigurationValue) {
      this.configurationValue = (BuildConfigurationValue) value;
      return;
    }
    if (value instanceof PackageValue) {
      this.pkg = ((PackageValue) value).getPackage();
      return;
    }
    throw new IllegalArgumentException("unexpected value: " + value);
  }

Implementasi callback Consumer<SkyValue> dapat dibagikan secara jelas karena jenis nilainya berbeda. Jika tidak demikian, kembali ke penerapan berbasis lambda atau instance class dalam penuh yang mengimplementasikan callback yang sesuai dapat dilakukan.

Memperluas nilai di antara StateMachine

Sejauh ini, dokumen ini hanya menjelaskan cara mengatur pekerjaan di subtugas, tetapi subtugas juga perlu melaporkan nilai kembali ke pemanggil. Karena subtugas secara logis asinkron, hasilnya akan disampaikan kembali ke pemanggil menggunakan callback. Agar berfungsi, subtugas menentukan antarmuka sink yang dimasukkan melalui konstruktornya.

class BarProducer implements StateMachine {
  // Callers of BarProducer implement the following interface to accept its
  // results. Exactly one of the two methods will be called by the time
  // BarProducer completes.
  interface ResultSink {
    void acceptBarValue(Bar value);
    void acceptBarError(BarException exception);
  }

  private final ResultSink sink;

  BarProducer(ResultSink sink) {
     this.sink = sink;
  }

  … // StateMachine steps that end with this::complete.

  private StateMachine complete(Tasks tasks) {
    if (hasError()) {
      sink.acceptBarError(getError());
      return DONE;
    }
    sink.acceptBarValue(getValue());
    return DONE;
  }
}

StateMachine pemanggil kemudian akan terlihat seperti berikut.

class Caller implements StateMachine, BarProducer.ResultSink {
  interface ResultSink {
    void acceptCallerValue(Bar value);
    void acceptCallerError(BarException error);
  }

  private final ResultSink sink;

  private Bar value;

  Caller(ResultSink sink) {
    this.sink = sink;
  }

  @Override
  @Nullable
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    tasks.enqueue(new BarProducer((BarProducer.ResultSink) this));
    return this::processResult;
  }

  @Override
  public void acceptBarValue(Bar value) {
    this.value = value;
  }

  @Override
  public void acceptBarError(BarException error) {
    sink.acceptCallerError(error);
  }

  private StateMachine processResult(Tasks tasks) {
    // Since all enqueued subtasks resolve before `processResult` starts, one of
    // the `BarResultSink` callbacks must have been called by this point.
    if (value == null) {
      return DONE;  // There was a previously reported error.
    }
    var finalResult = computeResult(value);
    sink.acceptCallerValue(finalResult);
    return DONE;
  }
}

Contoh sebelumnya menunjukkan beberapa hal. Caller harus menyebarkan hasilnya kembali dan menentukan Caller.ResultSink-nya sendiri. Caller mengimplementasikan callback BarProducer.ResultSink. Setelah dilanjutkan, processResult akan memeriksa apakah value null untuk menentukan apakah terjadi error. Ini adalah pola perilaku umum setelah menerima output dari subtugas atau pencarian SkyValue.

Perlu diperhatikan bahwa implementasi acceptBarError akan segera meneruskan hasilnya ke Caller.ResultSink, seperti yang diperlukan oleh Error bubbling.

Alternatif untuk StateMachine level teratas dijelaskan dalam Driver dan melakukan bridging ke SkyFunctions.

Penanganan error

Ada beberapa contoh penanganan error yang sudah ada di callback Tasks.lookUp dan Menyebarkan nilai di antara StateMachines. Pengecualian, selain InterruptedException tidak ditampilkan, tetapi diteruskan melalui callback sebagai nilai. Callback tersebut sering kali memiliki semantik eksklusif-atau, dengan salah satu nilai atau error yang diteruskan.

Bagian berikutnya menjelaskan interaksi yang halus, tetapi penting dengan penanganan error Skyframe.

Pembentukan error (--nokeep_going)

Selama penyebaran error, SkyFunction dapat dimulai ulang meskipun tidak semua SkyValues yang diminta tersedia. Dalam kasus seperti itu, status berikutnya tidak akan dicapai karena kontrak API Tasks. Namun, StateMachine harus tetap menyebarkan pengecualian.

Karena penyebaran harus terjadi terlepas dari apakah status berikutnya tercapai atau tidak, callback penanganan error harus melakukan tugas ini. Untuk StateMachine bagian dalam, hal ini dicapai dengan memanggil callback induk.

Di StateMachine tingkat atas, yang berinteraksi dengan SkyFunction, hal ini dapat dilakukan dengan memanggil metode setException dari ValueOrExceptionProducer. ValueOrExceptionProducer.tryProduceValue kemudian akan menampilkan pengecualian, meskipun ada SkyValues yang tidak ada.

Jika Driver digunakan secara langsung, Anda harus memeriksa error yang di-propagate dari SkyFunction, meskipun mesin belum selesai memproses.

Penanganan Peristiwa

Untuk SkyFunctions yang perlu memunculkan peristiwa, StoredEventHandler dimasukkan ke dalam SkyKeyComputeState dan selanjutnya dimasukkan ke dalam StateMachine yang memerlukannya. Secara historis, StoredEventHandler diperlukan karena Skyframe menghapus peristiwa tertentu kecuali jika peristiwa tersebut diputar ulang, tetapi hal ini kemudian diperbaiki. Injeksi StoredEventHandler dipertahankan karena menyederhanakan penerapan peristiwa yang dikeluarkan dari callback penanganan error.

Driver dan jembatan ke SkyFunctions

Driver bertanggung jawab untuk mengelola eksekusi StateMachine, dimulai dengan StateMachine root yang ditentukan. Karena StateMachine dapat mengantrekan StateMachine subtugas secara rekursif, satu Driver dapat mengelola banyak subtugas. Subtugas ini membuat struktur hierarki, yang merupakan hasil dari Konkurensi terstruktur. Driver mengelompokkan pencarian SkyValue di seluruh subtugas untuk meningkatkan efisiensi.

Ada sejumlah class yang dibuat di sekitar Driver, dengan API berikut.

public final class Driver {
  public Driver(StateMachine root);
  public boolean drive(SkyFunction.Environment env) throws InterruptedException;
}

Driver menggunakan satu StateMachine root sebagai parameter. Memanggil Driver.drive akan mengeksekusi StateMachine sejauh yang dapat dilakukan tanpa memulai ulang Skyframe. Fungsi ini menampilkan true jika StateMachine selesai dan false jika tidak, yang menunjukkan bahwa tidak semua nilai tersedia.

Driver mempertahankan status StateMachine secara serentak dan cocok untuk penyematan di SkyKeyComputeState.

Membuat instance Driver secara langsung

Implementasi StateMachine secara konvensional menyampaikan hasilnya melalui callback. Anda dapat langsung membuat instance Driver seperti yang ditunjukkan dalam contoh berikut.

Driver disematkan dalam implementasi SkyKeyComputeState bersama dengan implementasi ResultSink yang sesuai untuk ditentukan sedikit lebih jauh ke bawah. Di tingkat teratas, objek State adalah penerima yang sesuai untuk hasil komputasi karena dijamin akan lebih lama dari Driver.

class State implements SkyKeyComputeState, ResultProducer.ResultSink {
  // The `Driver` instance, containing the full tree of all `StateMachine`
  // states. Responsible for calling `StateMachine.step` implementations when
  // asynchronous values are available and performing batched SkyFrame lookups.
  //
  // Non-null while `result` is being computed.
  private Driver resultProducer;

  // Variable for storing the result of the `StateMachine`
  //
  // Will be non-null after the computation completes.
  //
  private ResultType result;

  // Implements `ResultProducer.ResultSink`.
  //
  // `ResultProducer` propagates its final value through a callback that is
  // implemented here.
  @Override
  public void acceptResult(ResultType result) {
    this.result = result;
  }
}

Kode di bawah ini membuat sketsa ResultProducer.

class ResultProducer implements StateMachine {
  interface ResultSink {
    void acceptResult(ResultType value);
  }

  private final Parameters parameters;
  private final ResultSink sink;

  … // Other internal state.

  ResultProducer(Parameters parameters, ResultSink sink) {
    this.parameters = parameters;
    this.sink = sink;
  }

  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    …  // Implementation.
    return this::complete;
  }

  private StateMachine complete(Tasks tasks) {
    sink.acceptResult(getResult());
    return DONE;
  }
}

Kemudian, kode untuk menghitung hasil secara lambat dapat terlihat seperti berikut.

@Nullable
private Result computeResult(State state, Skyfunction.Environment env)
    throws InterruptedException {
  if (state.result != null) {
    return state.result;
  }
  if (state.resultProducer == null) {
    state.resultProducer = new Driver(new ResultProducer(
      new Parameters(), (ResultProducer.ResultSink)state));
  }
  if (state.resultProducer.drive(env)) {
    // Clears the `Driver` instance as it is no longer needed.
    state.resultProducer = null;
  }
  return state.result;
}

Menyematkan Driver

Jika StateMachine menghasilkan nilai dan tidak menimbulkan pengecualian, penyematan Driver adalah kemungkinan implementasi lainnya, seperti yang ditunjukkan dalam contoh berikut.

class ResultProducer implements StateMachine {
  private final Parameters parameters;
  private final Driver driver;

  private ResultType result;

  ResultProducer(Parameters parameters) {
    this.parameters = parameters;
    this.driver = new Driver(this);
  }

  @Nullable  // Null when a Skyframe restart is needed.
  public ResultType tryProduceValue( SkyFunction.Environment env)
      throws InterruptedException {
    if (!driver.drive(env)) {
      return null;
    }
    return result;
  }

  @Override
  public StateMachine step(Tasks tasks) {
    …  // Implementation.
}

SkyFunction mungkin memiliki kode yang terlihat seperti berikut (dengan State adalah jenis SkyKeyComputeState khusus fungsi).

@Nullable  // Null when a Skyframe restart is needed.
Result computeResult(SkyFunction.Environment env, State state)
    throws InterruptedException {
  if (state.result != null) {
    return state.result;
  }
  if (state.resultProducer == null) {
    state.resultProducer = new ResultProducer(new Parameters());
  }
  var result = state.resultProducer.tryProduceValue(env);
  if (result == null) {
    return null;
  }
  state.resultProducer = null;
  return state.result = result;
}

Menyematkan Driver dalam implementasi StateMachine lebih cocok untuk gaya coding sinkron Skyframe.

StateMachine yang dapat menghasilkan pengecualian

Jika tidak, ada class ValueOrExceptionProducer dan ValueOrException2Producer yang dapat disematkan SkyKeyComputeState yang memiliki API sinkron untuk mencocokkan kode SkyFunction sinkron.

Class abstrak ValueOrExceptionProducer menyertakan metode berikut.

public abstract class ValueOrExceptionProducer<V, E extends Exception>
    implements StateMachine {
  @Nullable
  public final V tryProduceValue(Environment env)
      throws InterruptedException, E {
    …  // Implementation.
  }

  protected final void setValue(V value)  {  … // Implementation. }
  protected final void setException(E exception) {  … // Implementation. }
}

Ini mencakup instance Driver tersemat dan sangat mirip dengan class ResultProducer dalam driver Embedding dan antarmuka dengan SkyFunction dengan cara yang sama. Daripada menentukan ResultSink, implementasi memanggil setValue atau setException saat salah satu dari hal tersebut terjadi. Jika keduanya terjadi, pengecualian akan diprioritaskan. Metode tryProduceValue menghubungkan kode callback asinkron ke kode sinkron dan menampilkan pengecualian saat kode ditetapkan.

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, selama error bubbling, error dapat terjadi meskipun mesin belum selesai karena tidak semua input tersedia. Untuk mengakomodasi hal ini, tryProduceValue akan menampilkan pengecualian yang telah ditetapkan, bahkan sebelum mesin selesai.

Epilog: Akhirnya menghapus callback

StateMachine adalah cara yang sangat efisien, tetapi intensif boilerplate untuk melakukan komputasi asinkron. Lanjutan (terutama dalam bentuk Runnable yang diteruskan ke ListenableFuture) tersebar luas di bagian tertentu dari kode Bazel, tetapi tidak umum di SkyFunctions analisis. Analisis sebagian besar terikat CPU dan tidak ada API asinkron yang efisien untuk I/O disk. Pada akhirnya, sebaiknya optimalkan callback karena memiliki kurva belajar dan menghambat keterbacaan.

Salah satu alternatif yang paling menjanjikan adalah thread virtual Java. Alih-alih menulis callback, semuanya diganti dengan panggilan pemblokir yang sinkron. Hal ini memungkinkan karena mengikat resource thread virtual, tidak seperti thread platform, seharusnya murah. Namun, meskipun dengan thread virtual, mengganti operasi sinkron sederhana dengan primitif pembuatan dan sinkronisasi thread terlalu mahal. Kami melakukan migrasi dari StateMachine ke thread virtual Java dan migrasi tersebut jauh lebih lambat, sehingga menyebabkan peningkatan latensi analisis menyeluruh hampir 3x lipat. Karena thread virtual masih merupakan fitur pratinjau, ada kemungkinan migrasi ini dapat dilakukan di lain waktu saat performa meningkat.

Pendekatan lain yang perlu dipertimbangkan adalah menunggu coroutine Loom, jika tersedia. Keuntungannya di sini adalah dapat mengurangi overhead sinkronisasi menggunakan multitasking.

Jika semua upaya di atas tidak berhasil, penulisan ulang bytecode tingkat rendah juga dapat menjadi alternatif yang layak. Dengan pengoptimalan yang memadai, Anda mungkin dapat mencapai performa yang mendekati kode callback yang ditulis tangan.

Lampiran

Callback Hell

Callback hell adalah masalah terkenal dalam kode asinkron yang menggunakan callback. Hal ini berasal dari fakta bahwa kelanjutan untuk langkah berikutnya disusun secara bertingkat dalam langkah sebelumnya. Jika ada banyak langkah, penyusunan bertingkat ini bisa sangat dalam. Jika digabungkan dengan alur kontrol, kode menjadi tidak dapat dikelola.

class CallbackHell implements StateMachine {
  @Override
  public StateMachine step(Tasks task) {
    doA();
    return (t, l) -> {
      doB();
      return (t1, l2) -> {
        doC();
        return DONE;
      };
    };
  }
}

Salah satu keuntungan implementasi bertingkat adalah frame stack dari langkah luar dapat dipertahankan. Di Java, variabel lambda yang diambil harus final secara efektif sehingga penggunaan variabel tersebut dapat merepotkan. Penyusunan bertingkat dihindari dengan menampilkan referensi metode sebagai kelanjutan, bukan lambda seperti yang ditunjukkan sebagai berikut.

class CallbackHellAvoided implements StateMachine {
  @Override
  public StateMachine step(Tasks task) {
    doA();
    return this::step2;
  }

  private StateMachine step2(Tasks tasks) {
    doB();
    return this::step3;
  }

  private StateMachine step3(Tasks tasks) {
    doC();
    return DONE;
  }
}

Callback hell juga dapat terjadi jika pola injeksi runAfter digunakan terlalu padat, tetapi hal ini dapat dihindari dengan menyelingi injeksi dengan langkah-langkah berurutan.

Contoh: Pencarian SkyValue berantai

Sering kali logika aplikasi memerlukan rantai dependen pencarian SkyValue, misalnya, jika SkyKey kedua bergantung pada SkyValue pertama. Jika dipikirkan secara naif, hal ini akan menghasilkan struktur callback yang kompleks dan bertingkat.

private ValueType1 value1;
private ValueType2 value2;

private StateMachine step1(...) {
  tasks.lookUp(key1, (Consumer<SkyValue>) this);  // key1 has type KeyType1.
  return this::step2;
}

@Override
public void accept(SkyValue value) {
  this.value1 = (ValueType1) value;
}

private StateMachine step2(...) {
  KeyType2 key2 = computeKey(value1);
  tasks.lookup(key2, this::acceptValueType2);
  return this::step3;
}

private void acceptValueType2(SkyValue value) {
  this.value2 = (ValueType2) value;
}

Namun, karena kelanjutan ditentukan sebagai referensi metode, kode tersebut terlihat prosedural di seluruh transisi status: step2 mengikuti step1. Perhatikan bahwa di sini, lambda digunakan untuk menetapkan value2. Hal ini membuat pengurutan kode cocok dengan pengurutan komputasi dari atas ke bawah.

Tips Lain-Lain

Keterbacaan: Urutan Eksekusi

Untuk meningkatkan keterbacaan, usahakan untuk mempertahankan implementasi StateMachine.step dalam urutan eksekusi dan implementasi callback segera setelah itu diteruskan dalam kode. Hal ini tidak selalu memungkinkan jika cabang alur kontrol dijalankan. Komentar tambahan mungkin akan membantu dalam kasus tersebut.

Di Contoh: Pencarian SkyValue berantai, referensi metode perantara dibuat untuk mencapai hal ini. Hal ini mengorbankan sejumlah kecil performa untuk keterbacaan, yang mungkin bermanfaat di sini.

Hipotesis Generasi

Objek Java dengan masa aktif sedang melanggar hipotesis generasi dari pengumpulan sampah Java, yang dirancang untuk menangani objek yang aktif selama waktu yang sangat singkat atau objek yang aktif selamanya. Secara definisi, objek dalam SkyKeyComputeState melanggar hipotesis ini. Objek tersebut, yang berisi pohon yang dibuat dari semua StateMachine yang masih berjalan, yang berakar di Driver memiliki masa aktif perantara saat ditangguhkan, menunggu komputasi asinkron selesai.

Hal ini tampaknya tidak terlalu buruk di JDK19, tetapi saat menggunakan StateMachine, terkadang dapat diamati peningkatan waktu GC, bahkan dengan penurunan drastis dalam sampah yang sebenarnya dihasilkan. Karena memiliki masa aktif menengah, StateMachine dapat dipromosikan ke generasi lama, sehingga menyebabkannya terisi lebih cepat, sehingga memerlukan GC utama atau GC penuh yang lebih mahal untuk dibersihkan.

Langkah pencegahan awal adalah meminimalkan penggunaan variabel StateMachine, tetapi tidak selalu memungkinkan, misalnya, jika nilai diperlukan di beberapa status. Jika memungkinkan, variabel step stack lokal adalah variabel generasi muda dan GC secara efisien.

Untuk variabel StateMachine, menguraikannya menjadi subtugas dan mengikuti pola yang direkomendasikan untuk Menyebarkan nilai di antara StateMachine juga akan membantu. Perhatikan bahwa saat mengikuti pola, hanya StateMachine turunan yang memiliki referensi ke StateMachine induk, bukan sebaliknya. Artinya, saat turunan menyelesaikan dan memperbarui induk menggunakan callback hasil, turunan secara alami akan keluar dari cakupan dan memenuhi syarat untuk GC.

Terakhir, dalam beberapa kasus, variabel StateMachine diperlukan dalam status sebelumnya, tetapi tidak dalam status berikutnya. Sebaiknya kosongkan referensi objek besar setelah diketahui bahwa objek tersebut tidak diperlukan lagi.

Penamaan negara bagian

Saat memberi nama metode, biasanya Anda dapat memberi nama metode untuk perilaku yang terjadi dalam metode tersebut. Cara melakukannya di StateMachine kurang jelas karena tidak ada stack. Misalnya, metode foo memanggil sub-metode bar. Dalam StateMachine, ini dapat diterjemahkan menjadi urutan status foo, diikuti dengan bar. foo tidak lagi menyertakan perilaku bar. Akibatnya, nama metode untuk status cenderung lebih sempit cakupannya, sehingga berpotensi mencerminkan perilaku lokal.

Diagram hierarki serentak

Berikut adalah tampilan alternatif diagram dalam Selaraskan terstruktur yang menggambarkan struktur hierarki dengan lebih baik. Blok membentuk pohon kecil.