Τι είναι ο παραλληλισμός στον προγραμματισμό;

Παραλληλισμός στον προγραμματισμό είναι η εκτέλεση πολλαπλών εργασιών ταυτόχρονα ή η ψευδαίσθηση ταυτόχρονης εκτέλεσης, που επιτρέπει την αύξηση της απόδοσης και της ανταπόκρισης των εφαρμογών.

Διακρίνονται διάφορα είδη παραλληλισμού:

• Πολυεπεξεργασία (Multiprocessing): Χρησιμοποιεί πολλαπλές ανεξάρτητες διεργασίες, καθεμία με το δικό της χώρο διευθύνσεων. Αυτό ξεπερνά τον περιορισμό του GIL (Global Interpreter Lock) στο CPython και είναι κατάλληλο για εργασίες που χρησιμοποιούν έντονα την CPU.

  import multiprocessing
  import time
  
  def worker(num):
      """Μια εργασία"""
      time.sleep(1)
      print(f'Εργάτης {num} τελείωσε')
  
  if __name__ == '__main__':
      διεργασίες = []
      for i in range(5):
          p = multiprocessing.Process(target=worker, args=(i,))
          διεργασίες.append(p)
          p.start()
  
      for p in διεργασίες:
          p.join()
      print("Όλοι οι εργάτες τελείωσαν")
  

• Πολυνηματικότητα (Multithreading): Χρησιμοποιεί πολλά νήματα εντός μιας διαδικασίας, που μοιράζονται τον ίδιο χώρο διευθύνσεων. Λόγω του GIL στο CPython, τα νήματα δεν εκτελούνται παράλληλα σε διαφορετικούς πυρήνες για εργασίες CPU-bound, αλλά είναι αποτελεσματικά για εργασίες I/O-bound.

  import threading
  import time
  
  def worker(num):
      """Μια εργασία"""
      time.sleep(1) # Προσομοίωση λειτουργίας I/O
      print(f'Νήμα {num} τελείωσε')
  
  νήματα = []
  for i in range(5):
      t = threading.Thread(target=worker, args=(i,))
      νήματα.append(t)
      t.start()
  
  for t in νήματα:
      t.join()
  print("Όλα τα νήματα τελείωσαν")
  

• Ασύγχρονος προγραμματισμός (Asyncio): Χρησιμοποιεί ένα μόνο νήμα και έναν βρόχο γεγονότων (event loop) για τη διαχείριση της εκτέλεσης εργασιών. Κατάλληλο για εφαρμογές υψηλού φόρτου I/O-bound και web servers. Δεν μπλοκάρει την εκτέλεση κατά την αναμονή για I/O.

  import asyncio
  import time
  
  async def worker(num):
      """Μια ασύγχρονη εργασία"""
      await asyncio.sleep(1) # Ασύγχρονη αναμονή I/O
      print(f'Ασύγχρονος εργάτης {num} τελείωσε')
  
  async def main():
      tasks = []
      for i in range(5):
          task = asyncio.create_task(worker(i))
          tasks.append(task)
      await asyncio.gather(*tasks)
      print("Όλοι οι ασύγχρονοι εργάτες τελείωσαν")
  
  if __name__ == '__main__':
      asyncio.run(main())
  

Η επιλογή προσέγγισης εξαρτάται από τη φύση της εργασίας:

Προσέγγιση	CPU-bound εργασίες	I/O-bound εργασίες	GIL	Χρήση μνήμης
Πολυεπεξεργασία	Εξαιρετικό	Καλό	Ξεπερνά	Μεγάλο (ιδιωτική διαδικασία)
Πολυνηματικότητα	Κακό (λόγω GIL)	Εξαιρετικό	Μπλοκάρει	Μικρό (κοινή διαδικασία)
Ασύγχρονο	Κακό	Εξαιρετικό	Δεν μπλοκάρει	Μικρό (ένα νήμα)

Ο παραλληλισμός απαιτεί προσεκτική διαχείριση συγχρονισμού και πόρων για την αποφυγή συνθηκών αγώνα και deadlocks.