Основні відмінності між конкурентністю та паралелізмом

Конкурентність і паралелізм є універсальними поняттями, застосовними у всіх сферах IT. Але в цій статті, основний акцент буде зроблено на зборі даних. У сфері веб-скрапінгу такі концепції, як конкуренція і паралелізм, відіграють вирішальну роль в оптимізації продуктивності та ефективності систем. Незважаючи на те, що ці терміни часто використовуються взаємозамінно, вони являють собою окремі поняття з різними підходами до одночасної обробки даних. Обидві концепції використовуються розробниками для створення масштабованих і чуйних систем збору даних. Ця стаття дасть змогу читачам детальніше розглянути, що таке конкурентність і паралелізм, порівняння цих підходів, а також приклади їх застосування.

Що таке конкурентність?

У контексті парсингу, конкурентність - це підхід, за якого кілька завдань виконуються по черзі, розділяючи час одного процесора. Це означає, що він швидко перемикається між ними, імітуючи одночасне виконання. Але за фактом, у будь-який момент часу виконується тільки одна, а між завданнями виникає конкуренція за його ресурси.

Конкурентність - ідеальне рішення для завдань типу I/O, відомих також як операції введення-виведення. До них можна віднести будь-які процеси, за яких програма надсилає дані або чекає на їхнє отримання із зовнішнього джерела. Веб-скрапінг якраз і є таким завданням. Завдяки використанню концепції конкурентності, скрапер не чекає, поки один його запит буде опрацьовано, а одразу виконує велику їхню кількість, що значно прискорює опрацювання даних.

Розуміння потоків

Потоки є основним механізмом для реалізації конкурентності в системах збору даних. Щоб краще зрозуміти, як це працює, потрібно більш детально заглибитися в структуру процесу. Будь-який робочий процес складається із сукупності кількох завдань, і кожне з них являє собою один потік. По суті, потік - найменша одиниця виконання процесу.

У конкурентній концепції кілька потоків виконуються по черзі, розділяючи час. У результаті, це надає можливість системі якісно використовувати процесорні ресурси.

Сучасні мови програмування та ОС надають інструменти керування потоками, включно із засобами створення, призупинення та синхронізації. Використання потоків особливо пріоритетне в задачах, пов'язаних із парсингом даних, оскільки необхідно одночасно обробляти кілька вхідних джерел, мінімізуючи затримки та підвищуючи продуктивність.

Практичний приклад

На практиці, конкурентність - це невід'ємна частина сучасних програмних систем. Вона забезпечує виконання великої кількості процесів в умовах обмежених ресурсів. Один з наочних прикладів конкурентності - обробка декількох запитів на веб-сервері.

Для наочності, розглянемо інтернет-магазин, у якому користувачі одночасно роблять замовлення, переглядають товари та запитують статус доставки. Сервер не може обробляти всі запити одночасно в буквальному сенсі, оскільки в нього обмежена кількість процесорів. Однак завдяки конкурентності він розподіляє час виконання між завданнями, перемикаючись між обробкою різних запитів користувачів. Наприклад, якщо один користувач оформляє замовлення, а інший запитує інформацію про товар, сервер може чергувати виконання цих процесів, не чекаючи завершення першого перед початком другого. Як наслідок, це забезпечить швидку реакцію системи та знизить затримки, створюючи ілюзію паралельного виконання.

Ще один приклад у контексті веб-скрапінгу. Припустимо, що користувачеві потрібно зібрати інформацію зі 100 веб-сторінок. Без конкурентності вони б завантажувалися по одній: запит, очікування, обробка. Це дуже повільний процес. З конкурентністю ж, користувач може надіслати, наприклад, 10 запитів одразу і поки перші сторінки вантажаться, вже можна обробляти отримані раніше дані. Це значно заощадить час очікування і прискорить роботу.

Використання конкурентності для оптимізації процесів

Для веб-парсингу конкурентність здатна значно підвищити продуктивність. Наприклад, веб-скрапер може використовувати конкурентність для одночасного вилучення даних з декількох веб-сторінок, скорочуючи загальний час збору. Нижче наведено аспекти, завдяки яким конкурентність сприяє оптимізації процесу:

• Покращує чуйність, завдяки чому система швидше реагує на запити користувачів, навіть якщо виконуються інші тривалі завдання;
• Равномірно використовує ресурси процесора для виконання одних завдань під час очікування завершення інших;
• Дозволяє обробляти кілька процесів паралельно, скорочуючи загальний час виконання завдань.

Крім того, конкурентність використовується для обробки інформації у фоновому режимі, не блокуючи основний потік виконання, що дає змогу комп'ютеру працювати без зниження продуктивності.

Що таке паралелізм?

Паралелізм - метод одночасного виконання обчислювальних процесів на різних апаратних ресурсах. На відміну від конкурентності, де завдання чергуються і лише імітують одночасне виконання, паралелізм дійсно робить це одномоментно, використовуючи апаратні можливості багатопроцесорних систем. Паралелізм простими словами це спосіб обробляти дані на різних ядрах процесора або навіть на різних серверах одночасно.

Розглянемо докладніше для чого і чому використовується паралелізм. Він дає змогу:

• прискорити виконання ресурсномістких операцій, таких як рендеринг графіки, машинне навчання та аналіз великих даних;
• ефективно використовувати багатопроцесорні системи, розподіляючи навантаження між ядрами;
• обробляти потоки даних у реальному часі, що є пріоритетним, наприклад, у фінансовому аналізі та обробці відео.

Сучасні процесори, що володіють кількома ядрами, дають змогу програмам розбивати завдання на незалежні частини та забезпечують їхнє паралельне одночасне виконання.

Прискорення процесів за допомогою паралелізму

Паралельне виконання завдань значно скорочує час обробки даних і передбачає поділ обчислень на незалежні частини. Замість того, щоб виконувати операції послідовно, програма розподіляє навантаження між кількома процесорами або ядрами.

Приклад паралелізму можна побачити в обробці зображень. Розглянемо ситуацію, в якій потрібно застосувати фільтр до фотографії з високою роздільною здатністю. Якщо обробляти кожен піксель по черзі, процес займе значний час. Але при використанні паралелізму, зображення можна розділити на кілька фрагментів, і кожен процесор оброблятиме свою ділянку одночасно. Це максимально прискорює роботу застосунку і робить її більш якісною. Також цей принцип активно застосовується, наприклад, в обробці великої кількості інформації для штучного інтелекту та у відеоіграх.

Конкурентність vs паралелізм: основні відмінності

При проектуванні програмних систем слід розуміти, як і коли використовувати конкурентність і паралелізм, різницю між цими підходами та їхній вплив на продуктивність. Найважливіше засвоїти дві основні тези:

• Конкурентність фокусується на ефективному перемиканні між завданнями, дозволяючи системі виконувати їх практично одночасно, але без реального паралельного виконання.
• Паралелізм дає змогу виконувати завдання справді одночасно на кількох процесорах або ядрах, він особливо ефективний у процесах, що потребують високої обчислювальної потужності.

Для наочного порівняння подано таблицю:

Таким чином, вибір підходу залежить від конкретних вимог системи. Конкурентність допомагає ефективно використовувати доступні ресурси в умовах обмеженої обчислювальної потужності, а паралелізм значно прискорює роботу за рахунок розподілу навантаження між процесорами.

Поєднання конкурентності та паралелізму

Можна розглядати конкурентність і паралелізм у порівнянні як окремі концепції, але часто вони приносять кращий результат, якщо їх використовувати разом. Їхнє поєднання сприяє значному підвищенню продуктивності системи. Особливо це стосується складних додатків, які вимагають високої чуйності. Комбінований підхід дасть змогу оптимізувати використання обчислювальних ресурсів і прискорити обробку даних.

Гібридний підхід можна розглянути на прикладі обробки великого масиву даних. У такому разі, паралелізм використовується для розподілу завдань між кількома процесорами, а конкурентність - для управління операціями на кожному з них.

Переваги поєднання цих концепцій:

• Максимізація використання обчислювальних ресурсів - кожен процесор і кожне ядро працюють на повну потужність;
• Збільшення швидкості обробки - паралельне виконання і перемикання між завданнями дають змогу значно прискорити реалізацію операцій;
• Підтримка складних сценаріїв - комбінований підхід дає змогу ефективно керувати найскладнішими багатозадачними процесами.

Поєднання конкуренції та паралелізму - рішення, яке допомагає створювати високоефективні та масштабовані системи для обробки великої кількості інформації та виконання ресурсоємних завдань.

Найкращий підхід для веб-скрапінгу

При зборі даних з веб-сторінок вибір між конкурентністю та паралелізмом залежить від специфіки завдання користувачів. На практиці, конкурентний підхід застосовується тільки у двох випадках: якщо запити займають багато часу, і якщо процес веб-скрапінгу не навантажує процесор. Паралелізм же підходить для тих ситуацій, коли після відвідування сторінки потрібне інтенсивне опрацювання її вмісту, або якщо процесор перевантажений парсингом.

В ідеалі застосовувати гібридний підхід, де конкурентність використовується для надсилання асинхронних запитів, а паралелізм - для подальшої обробки. Основна перевага такого підходу: можна і швидко відвідувати сторінки, і інтенсивно обробляти дані.

Висновок

У статті детально розглянуто конкурентність і паралелізм, порівняння цих концепцій у різних умовах і сценаріях застосування. Конкурентність - це метод керування завданнями, за якого система перемикається між ними, ефективно використовуючи процесорний час. Своєю чергою, паралелізм передбачає одночасне виконання кількох завдань на різних процесорах або ядрах, що дає змогу значно прискорити обробку даних. Основна відмінність між цими підходами полягає в тому, що конкурентність оптимізує використання ресурсів, а паралелізм збільшує продуктивність за рахунок розподілу навантаження.

Оптимальний вибір підходу залежить від специфіки завдання: для асинхронних операцій краще використовувати конкурентність, тоді як для складних обчислень - паралелізм. У низці випадків найкращий результат досягається їхнім поєднанням.