Eşzamansız Programlamanın Temelleri: Async, Await, Future ve Akışlar

Bilgisayardan yapmasını istediğimiz birçok işlem biraz zaman alabilir. Bu uzun süren işler tamamlanmayı beklerken başka bir şeyler de yapabilsek güzel olurdu. Modern bilgisayarlar aynı anda birden fazla iş üzerinde çalışmak için iki temel yaklaşım sunar: paralellik ve eşzamanlılık. Buna karşılık programlarımızın mantığı çoğu zaman daha doğrusal yazılır. Programın hangi işlemleri yapacağını ve bir fonksiyonun hangi noktalarda duraklayıp başka bir bölümün devreye girebileceğini, her kod parçasının tam olarak hangi sırayla ve nasıl çalışacağını en baştan tek tek tarif etmek zorunda kalmadan ifade edebilmek isteriz. Eşzamansız programlama (asynchronous programming), tam da bunu sağlayan bir soyutlamadır: kodu, olası duraklama noktaları ve sonunda üretilecek sonuçlar üzerinden ifade etmemize izin verir; geri kalan koordinasyon ayrıntılarını da bizim yerimize üstlenir.

Bu bölüm, 16. bölümde iş parçacıklarıyla gördüğümüz paralellik ve eşzamanlılık yaklaşımını temel alıp alternatif bir yol tanıtıyor: Rust’ın future’ları, akışları, async ve await sözdizimi ve eşzamansız işlemlerin yürütülmesini yöneten üçüncü taraf çalışma zamanı crate’leri.

Bir örnek düşünelim. Diyelim ki aile kutlamasından hazırladığınız bir videoyu dışa aktarıyorsunuz. Bu işlem dakikalar, hatta saatler sürebilir. Video dışa aktarma, kullanabildiği kadar CPU ve GPU gücü tüketir. Eğer tek CPU çekirdeğiniz olsaydı ve işletim sistemi bu dışa aktarmayı bitene kadar durdurmasaydı, yani işlem senkron çalışsaydı, bu görev sürerken bilgisayarda başka hiçbir şey yapamazdınız. Bu oldukça can sıkıcı olurdu. Neyse ki işletim sistemleri bu tür işleri görünmez biçimde yeterince sık bölerek aynı anda başka işlerin de yürümesine olanak tanır.

Şimdi de başkasının paylaştığı bir videoyu indirdiğinizi düşünün. Bu da zaman alabilir; ama CPU’yu video dışa aktarma kadar meşgul etmez. Burada CPU, ağdan veri gelmesini beklemek zorundadır. Veri gelmeye başlar başlamaz okumaya başlayabilirsiniz; ama tamamının ulaşması zaman alabilir. Veri geldikten sonra bile, video büyükse hepsini belleğe almak bir iki saniye sürebilir. Bu kısa gibi görünse de, saniyede milyarlarca işlem yapabilen modern işlemciler için uzun bir süredir. Yine işletim sistemi, ağ çağrısı tamamlanana kadar beklerken CPU’nun başka işler yapmasına olanak tanımak için programı görünmez biçimde keser.

Video dışa aktarma, CPU-bağımlı ya da hesaplama-bağımlı bir işe örnektir. Sınırını, CPU veya GPU’nun işleme hızı ve bu hızın ne kadarını bu işe ayırabildiği belirler. Video indirme ise G/Ç-bağımlı (I/O-bound) bir işlemdir; burada sınır, bilgisayarın girdi/çıktı hızıdır. Ağ üzerinden veri ne kadar hızlı gelirse işlem de ancak o kadar hızlı ilerleyebilir.

Her iki örnekte de işletim sisteminin görünmez kesmeleri bir tür eşzamanlılık sağlar. Ancak bu eşzamanlılık tüm program düzeyindedir: işletim sistemi bir programı durdurup başka programlara çalışma fırsatı verir. Çoğu durumda ise, programlarımızı işletim sisteminden daha ayrıntılı bildiğimiz için, onun göremediği eşzamanlılık fırsatlarını biz fark edebiliriz.

Örneğin dosya indirmelerini yöneten bir araç yazıyorsak, tek bir indirme başlatmanın arayüzü kilitlememesi gerekir; kullanıcılar aynı anda birden fazla indirme de başlatabilmelidir. Oysa ağla etkileşen birçok işletim sistemi API’si bloklayıcıdır (blocking); yani işlediği veri tamamen hazır olana kadar programın ilerleyişini durdurur.

Not: Aslında düşünürseniz çoğu fonksiyon çağrısı da böyledir. Ama bloklayıcı terimi genellikle dosyalar, ağ ya da bilgisayardaki başka kaynaklarla etkileşen çağrılar için kullanılır; çünkü özellikle bu tür durumlarda işlemin bloklamayan olması program açısından önemli fayda sağlar.

Ana iş parçacığımızı bloklamaktan kaçınmak için her dosya indirmesine ayrı bir iş parçacığı ayırabilirdik. Ancak bu iş parçacıklarının kullandığı sistem kaynaklarının ek maliyeti bir noktadan sonra sorun olur. İdeal olan, çağrının baştan bloklamaması ve bizim yalnızca programın tamamlamasını istediğimiz bir iş kümesini tanımlayıp, bunların en iyi sırayla ve biçimde nasıl çalıştırılacağı kararını çalışma zamanına bırakmamızdır.

Rust’ın async (yani asynchronous) soyutlaması tam olarak bunu sağlar. Bu bölümde şu başlıkları ele alacağız:

• Rust’ın async ve await sözdizimi nasıl kullanılır, eşzamansız fonksiyonlar bir çalışma zamanı ile nasıl yürütülür?
• async modeli, 16. bölümde gördüğümüz bazı eşzamanlılık problemlerini çözmek için nasıl kullanılır?
• Çok iş parçacıklı yapı ile async, birbirini tamamlayan çözümler olarak hangi durumlarda birlikte kullanılabilir?

Ama önce, async’in pratikte nasıl çalıştığını görmeden önce, paralellik ile eşzamanlılık arasındaki farkı biraz daha netleştirelim.

Paralellik ve Eşzamanlılık

Şimdiye kadar paralellik ile eşzamanlılığı çoğu yerde neredeyse eş anlamlı gibi kullandık. Artık bunları biraz daha dikkatli ayırmamız gerekiyor; çünkü çalışmaya başladıkça aradaki farklar görünür hale gelecek.

Bir yazılım projesindeki işi bir ekibin nasıl paylaştırabileceğini düşünün. Tek bir kişiye birden fazla görev verebilir, her kişiye tek bir görev atayabilir ya da bu iki yaklaşımı karıştırabilirsiniz.

Bir kişi, görevlerin hiçbiri bitmeden önce birkaç farklı iş üzerinde sırayla çalışıyorsa bu _eşzamanlılık_tır. Bunu uygulamanın bir yolu, bilgisayarınızda iki farklı proje açık tutmaya benzer: birinden sıkıldığınızda ya da bir yerde takıldığınızda ötekine geçersiniz. Tek kişisinizdir; iki işte tam anlamıyla aynı anda ilerleyemezsiniz. Ama aralarında gidip gelerek ikisini de yavaş yavaş ilerletebilirsiniz (bkz. Şekil 17-1).

Ekipteki herkes bir görev alıp onun üzerinde tek başına çalışıyorsa bu _paralellik_tir. Ekipteki her kişi tam anlamıyla aynı anda ilerleme kaydedebilir (bkz. Şekil 17-2).

Bu iki iş akışında da görevler arasında koordinasyon gerekebilir. Diyelim ki bir kişiye verilen görevin ötekilerden tamamen bağımsız olduğunu sandınız ama aslında önce başka birinin işini bitirmesi gerekiyordu. Bu durumda işin bir kısmı paralel yapılabilirken, bir kısmı da aslında seri olarak, yani birbiri ardına ilerlemek zorundadır (bkz. Şekil 17-3).

Aynı şekilde, kendi işlerinizden birinin başka bir işinize bağlı olduğunu fark edebilirsiniz. Bu durumda eşzamanlı çalışmanız da kısmen seri hale gelir.

Paralellik ile eşzamanlılık bazen birbirinin içine de geçer. Bir iş arkadaşınız siz bir görevi bitirene kadar beklemek zorundaysa, büyük olasılıkla tüm enerjinizi o göreve verip onun önünü açarsınız. Böylece artık ne onunla paralel çalışıyorsunuzdur ne de kendi diğer işleriniz arasında eşzamanlı geçiş yapıyorsunuzdur.

Aynı temel dinamik yazılım ve donanım için de geçerlidir. Tek CPU çekirdekli bir makinede işlemci aynı anda yalnızca tek bir iş yapabilir; ama yine de eşzamanlı çalışabilir. İş parçacıkları, süreçler ve async gibi araçlarla bilgisayar bir işi durdurup diğerlerine geçebilir, sonra yeniden ilkine döner. Birden fazla CPU çekirdeği olan makinede ise gerçekten paralel çalışma da mümkündür. Bir çekirdek bir işi yaparken diğeri tamamen farklı bir işi aynı anda yürütebilir.

Rust’ta async kod genellikle eşzamanlı yürür. Donanıma, işletim sistemine ve kullandığımız eşzamanlı çalışma zamanına bağlı olarak, bu eşzamanlılık arka planda paralellik de kullanabilir.

Şimdi Rust’ta eşzamansız programlamanın gerçekten nasıl çalıştığına bakalım.