🥇Kuidas Quarkus ühendab imperatiivse ja reaktiivse programmeerimise

Sel aastal plaanime tõsiselt arendada konteinerite teemasid, Cloud-Native Java ja Kubernetes. Loomulik jätk neile on rääkida raamistikust Quarkus, mis on juba tutvustatud Habr's. Tänane artikkel ei käsitle niivõrd "alateemalist superkiiret Java" ülesehitust, vaid pigem võimalusi, mida Quarkus toob ettevõtte arendusse.

Java ja JVM on endiselt ülimalt populaarsed, kuid serverita tehnoloogiate ja pilvepõhiste mikroteenuste kasutamisel rakendatakse Java-d ja teisi JVM-i keeli järjest harvemini, kuna need võtavad liiga palju mälu ja laadivad liiga aeglaselt, mistõttu ei sobi need hästi lühiealiste konteineritega töötamiseks. Õnneks on see olukord praegu muutumas Quarkuse tänu.

Superkiire alateemaline Java on jõudnud uuele tasemele!

42 väljalaskmist, 8 kuu töö kogukonnalt ja 177 hämmastavat arendajat – selle kõik on tulemuseks novembris 2019 väljaanne Quarkus 1.0, väljalase, mis tähistab olulist verstaposti projekti arengus ja pakub hulgaliselt suurepäraseid funktsioone ja võimalusi (rohkem neist saab lugeda avatud).

Täna räägime, kuidas Quarkus ühendab imperatiivsete ja reageerivate programmeerimismudelite alusel ühtset reaktiivset tuuma. Alustame lühikese ajaloo ülevaatega ja seejärel vaatame üksikasjalikult, mis seisneb Quarkuse reaktiivse tuuma dualismis ja kuidas Java-arendajad saavad neid eeliseid kasutada.

Mikroteenused, üritustel põhinevad arhitektuurid ja serverless-funktsioonid – kõik see on tänapäeval, nagu öeldakse, tõusuteel. Hiljuti on pilvepõhiste arhitektuuride loomine muutunud oluliselt lihtsamaks ja kättesaadavamaks, kuid probleemid on jäänud – eriti Java-arendajatele. Näiteks serverless-funktsioonide ja mikroteenuste puhul on äärmiselt vajalik käivitusaega lühendada, mälu tarbimist vähendada ja muuta nende arendamine mugavamaks ja meeldivamaks. Java on viimastel aastatel teinud mitmeid täiustusi, nagu konteineritele mõeldud funktsionaalsuse täiustamine ning muud. Siiski on Java tõrgete vältimine konteineris endiselt keeruline. Seetõttu alustame sellest, et vaatame mõningaid Java sisemisi keerukusi, mis eriti teravalt esinevad konteineripõhiste Java-rakenduste arendamisel.

Alustuseks vaatame ajalugu.

Süsteemid ja konteinerid

Alates versioonist 8u131 on Java rohkem-vähem hakanud konteinerite jaoks toimetama, tänu ergonomika funktsionaalsuse täiustamisele. Eriti teab JVM nüüd, mitu protsessorituuma see töötab, ja suudab vastavalt konfigureerida töövoogude gruppe – tavaliselt fork/join gruppe. See on loomulikult suurepärane, kuid oletame, et meil on traditsiooniline veebirakendus, mis kasutab HTTP-serve ja töötab Tomcatis, Jetty’s jne. Tulemuseks on see, et rakendus jagab iga päringu jaoks eraldi töövoo ja võimaldab sellel voolul blokeerida, oodates sisendi-väljundi operatsioone, näiteks kõnes andmebaasiga, failidega või muude teenustega. See tähendab, et sellise rakenduse suurus ei sõltu saadaval olevate tuumade arvust, vaid samal ajal tehtavate päringute arvust. Lisaks tähendab see, et Kubernetes'i tuumade arvu kvoodid või piirangud ei aita siinkohal palju ning lõppkokkuvõttes viib see troppimise juurde.

Mälu ammendumine

Voolud on mälu. Ja konteinerite piirmäärad ei ole sugugi kõikvõimsad. Alustage lihtsalt rakenduste ja voogude arvu suurendamist, ja varem või hiljem seotud olete silmitsi kriitilise konksude vahetuse kasvu ja seega sooritusvõime halvenemisega. Lisaks, kui rakendus kasutab traditsioonilisi mikroteenuste raamistikke või on ühendatud andmebaasidega, või rakendab vahemälu, või kuidagi muul viisil kasutab mälu, vajate kindlasti tööriista, mis võimaldab vaadata JVM-i sisse ja näha, kuidas see mälu haldab, samas mitte hävitades JVM-i ennast (näiteks XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap). Ja isegi hoolimata sellest, et alates Java 9-st on JVM õppinud cgroups'e tajuma ja vastavalt kohanduma, jääb mälu eraldamine ja haldamine üsna keeruliseks asjaks.

Kvoodid ja piirangud

Java 11 on saanud toetuse CPU-kvootidele (näiteks PreferContainerQuotaForCPUCount). Kubernetes pakub samuti tugi piirangutele ja kvootidele. Jah, see kõik on mõttekas, kuid kui rakendus taas ületab määratud kvoodi, pöördume tagasi koodi, et suurus — nagu traditsiooniliste Java-rakenduste puhul — määratakse tuumade arvu ja eraldatud niidi määramise põhjal iga päringu jaoks, seega on sellest kõigest vähe kasu.
Lisaks, kui kasutada kvoote ja piiranguid või Kubernetesel põhineva platvormi horisontaalse (scale-out) skaleerimise funktsioone, ei lahenda probleem iseennast. Me lihtsalt kulutame rohkem ressursse algse probleemi lahendamiseks või satume lõpuks ressursside ülekasutamisse. Ja kui see on kõrge koormusega süsteem avalikus pilves, hakkame peaaegu kindlasti kasutama rohkem ressursse, kui tegelikult vajalik.

Kuidas sellega kõigega toime tulla?

Lihtsalt öeldes, tuleks kasutada asünkroonseid ja mitteblokeerivaid I/O teeke ja raamistikku nagu Netty, Vert.x või Akka. Need sobivad konteinerites töötamiseks palju paremini tänu oma reaktiivsele iseloomule. Tänu mitteblokeerivale sisend-väljundile võib sama niit samal ajal käsitleda mitmeid samaaegseid päringuid. Samal ajal kui üks päring ootab sisend-väljundi tulemusi, vabastatakse see niit, et tegeleda teise päringuga. Kui sisend-väljundi tulemused lõpuks saabuvad, jätkatakse esimese päringu töötlemist. Ühe ja sama niidi raames päringute vahelduv töötlemine võimaldab vähendada niitide koguarvu ja vähendada ressursikasutust päringute töötlemisel.

Mitteblokeeriva sisend-väljundi korral on tuumade arv kriitiline parameeter, kuna just see määrab, kui palju sisend-väljundi niite saab samaaegselt käitada. Õige kasutuse korral võimaldab see tõhusalt jaotada koormust tuumade vahel ning toime tulla suuremate koormustega väiksema ressursikasutusega.

Kuidas, ja see kõik?

Ei, siin on veel midagi. Reaktiivne programmeerimine aitab paremini kasutada ressursse, kuid see toob ka oma hinda. Eelkõige tuleb kood ümber kirjutada vastavalt blokeerimise vältimise põhimõtetele ja vältida sisendi-väljundi voogude blokkeerimist. See on hoopis teine arenduse ja täitmise mudel. Ja kuigi siin on palju kasulikke raamatukogusid, on see ikkagi radikaalne muutus harjumuspärases mõtteviisis.

Esiteks peate õppima kirjutama koodi, mis täidetakse asünkroonselt. Nagu ainult te hakkate kasutama mitteblokeerivat sisendi-väljundit, peate selgelt määrama, mis juhtub, kui vastus saabub. Lihtsalt blokeerida ja oodata enam ei õnnestu. Selle asemel saate edastada tagasikutsumisi, kasutada reaktiivset programmeerimist või jätkufunktsioone. Kuid see ei ole veel kõik: mitteblokeeriva sisendi-väljundi kasutamiseks vajate mitteblokeerivaid servereid ja kliente, ja soovitavalt igal pool. HTTP puhul on kõik lihtne, kuid on veel andmebaasid, failisüsteemid ja palju muud.

Kuigi totaalne reaktiivne lähenemine pakub maksimumtõhusust, on sellise ülemineku praktikas rakendamine sageli keeruline. Seetõttu on vajalik ühendama reaktiivne ja imperatiivne kood, et:

Tõhusalt kasutada ressursse kõige koormatumates tarkvarasüsteemi suundades;
Kasutada lihtsamat stiili koodi ülejäänud osades.

Tutvustame Quarkust

Selles peitubki Quarkuse olemus – ühendada reaktiivne ja imperatiivne mudel ühe täideviimise keskkonna raames.

Quarkuse aluseks on Vert.x ja Netty, millele rajatakse hulk reaktiivseid raamistikke ja laiendusi, et aidata arendajat. Quarkus on mõeldud mitte ainult HTTP-mikroteenuste, vaid ka sündmustega juhitud arhitektuuride ehitamiseks. Tänu oma reaktiivsele loomusele töötab see väga tõhusalt sõnumite saatmise süsteemidega (Apache Kafka, AMQP jne).

Kõik ongi selles, kuidas kasutada sama reaktiivset mootort nii imperatiivse kui ka reaktiivse koodi jaoks.

Quarkus teeb sellega suurepärase töö. Valik imperatiivse ja reaktiivse vahel on ilmne – kasutada reaktiivset tuuma nii ühe kui teise jaoks. See aitab eriti kiiresti ja mitteblokeerivat koodi luua, mis käitleb peaaegu kõike, mis läbib sündmuste tsükli (event-loop thread, tuntud ka kui IO thread). Kuid kui teil on klassikalised REST-rakendused või kliendi poolel töötavad rakendused, on Quarkusel olemas imperatiivne programmeerimismudel. Näiteks HTTP toetus Quarkuses põhineb mitteblokeeriva ja reaktiivse mootori (Eclipse Vert.x ja Netty) kasutamisel. Kõik HTTP-päringud, mis teie rakendusse jõuavad, läbivad esmalt sündmuste tsükli (IO Thread) ja edastatakse seejärel koodiosasse, mis haldab päringuid. Sõltuvalt sihtkohast võib päringute haldamise kood käivituda eraldi lõimes (nn worker thread, rakendatakse servletide ja Jax-RS puhul) või kasutada originaal sisse-/väljalaske voogu (reaktiivne marsruut reactive route).

Sündmustesüsteemide ühendamiseks kasutatakse mittesünkroneeritud kliente, mis töötavad Vert.x mootori peal. Seetõttu saate tõhusalt saata, vastu võtta ja töödelda sõnumeid sõnumivahetuse vahekihiga seotud süsteemidest.

Lehelt Quarkus.io oleme kogunud mitmeid häid juhendeid, et aidata teil Quarkustega alustada:

Lisaks oleme ette valmistanud veebipõhised praktilised õpikursused, et tutvustada erinevaid reaktiivse programmeerimise aspekte. Nende läbimiseks piisab vaid brauserist, ei ole vajalik IDE-d ning arvuti pole ka hädavajalik. Need õpikursused on saadaval siit.

Kasulikud ressursid

4 põhjust Quarkuse proovimiseks
Quarkuse projekti veebisait – quarkus.io
Quarkuse projekt GitHubis – github.com/quarkusio/quarkus
Quarkuse projekti Twitteri konto – twitter.com/QuarkusIO
Quarkuse projekti vestlus – quarkusio.zulipchat.com
Quarkuse projekti foorumid – groups.google.com/forum/#!forum/quarkus-dev

10 videotundi Quarkuse kohta, et teemaga tutvuda

Nagu veebisaidil öeldakse Quarkus.io, Quarkus on Kubernetes-orienteeritud Java-tehnoloogiate kogum, mis on optimeeritud GraalVM ja OpenJDK HotSpot jaoks ja koosneb parimatest Java teekidest ja standarditest.

Kuna aidata teil Quarkuse teemat mõista, oleme valinud 10 videoõpetust, kus käsitletakse erinevaid aspekte ja näiteid Quarkuse kasutamisest:

1. Tutvustame Quarkust: uus põlvkond Java raamistik Kubernetes'ele

Autorid: Thomas Qvarnstrom ja Jason Greene
Quarkuse projekti eesmärk on luua Java platvorm Kubernetes'ele ja serverless keskkondadele ning kombineerida reaktiivne ja imperatiivne programmeerimismudel ühes käituskeskkonnas, et arendajad saaksid paindlikult läheneda laiale valikule jaotatud rakenduste arhitektuuridest. Rohkem teavet leiate all olevast sissejuhatusloengust.

2. Quarkus: ülikiire subaatomi Java

Autor: Burr Sutter
Videoõpetus interneti loengust DevNation Live demonstreerib, kuidas kasutada Quarkust ettevõtte Java rakenduste, API-de, mikroteenuste ja serverless funktsioonide optimeerimiseks Kubernetes/OpenShift keskkonnas, muutes need palju väiksemaks, kiiremaks ja paremini skaleeritavaks.

3. Quarkus ja GraalVM: kiirendame Hibernate'i ülikiiruseni ja tihendame subaatomi suurustesse

Autor: Sanne Grinovero
Esitluses saate teada, kuidas Quarkus sündis, kuidas see töötab ja kuidas võimaldab keerulisi teeke, nagu Hibernate ORM, GraalVM-i native-piltidega ühilduvaks muuta.

4. Õpime arendama serveriteta rakendusi

Autor: Marthen Luther
Allolevas videos näidatakse, kuidas luua lihtne Java rakendus Quarkuse abil ja käivitada see serveriteta rakendusena Knative'is.

5. Quarkus: programmeerige naudinguga

Autor: Edson Yanaga
Videojuhend teie esimese Quarkuse projekti loomiseks, mis aitab mõista, miks Quarkus võidab arendajate südameid.

6. Java ja konteinerid – milline saab olema nende ühisosa tulevik

Autor: Mark Little
See esitlus tutvustab Java ajalugu ja selgitab, miks Quarkus on Java tulevik.

7. Quarkus: ülikiire subaatomarne Java

Autor: Dimitris Andreadis
Ülevaade Quarkuse eelistest, mis on arendajate seas tunnustust leidnud: lihtsus, ülivõrdsed kiirus, parimad teegid ja standardid.

8. Quarkus ja subaatomised reaktiivsed süsteemid

Autor: Clement Escoffier
GraalVM integreerimise abil tagab Quarkus ülikiire arendusprotsessi ja subaatomilise jooksukeskkonna. Autor räägib Quarkuse reaktiivsest küljest ja sellest, kuidas seda kasutada reaktiivsete rakenduste ja voogedastuse rakenduste loomisel.

9. Quarkus ja kiire rakenduste arendus Eclipse MicroProfile'is

Autor: John Clingan
Kombineerides Eclipse MicroProfile'i ja Quarkuse, saavad arendajad luua täisfunktsionaalseid MicroProfile konteinerrakendusi, mis käivitatakse mõne kümne millisekundi jooksul. Videos näidatakse üksikasjalikult, kuidas kodeerida konteinerrakendust MicroProfile'i jaoks Kuberneteses juurutamiseks.

10. Java, "Turbo" versioon

Autor: Marcus Biel
Autor näitab, kuidas kasutada Quarkust superväikeste ja üli kiirete Java konteinerite loomiseks, mis võimaldavad saavutada tõelist läbimurret, eriti serverivabades keskkondades.