Warum ist Elixir für die asynchrone Verarbeitung besser als Node.js?

Einfache Antwort: Node.js ist Single-Threaded und teilt diesen einzelnen Thread auf, um Parallelität zu simulieren, während Elixir die native Parallelität und Parallelität von BEAM, Erlangs virtueller Maschine, nutzt. um Prozesse gleichzeitig auszuführen.

Im Folgenden werden wir diesen Unterschied genauer verstehen und zwei Schlüsselkonzepte untersuchen: die Node.js-Ereignisschleife und die BEAM-VM und das OTP von Elixir. Diese Elemente sind entscheidend für das Verständnis, wie jede Technologie die Ausführung asynchroner Aufgaben handhabt und wie sich dies auf die Leistung und Skalierbarkeit in verschiedenen Anwendungen auswirkt.

1. Was ist die Ereignisschleife?

Node.js arbeitet auf einem einzelnen Hauptthread und verwendet einen Mechanismus namens Ereignisschleife, um asynchrone Vorgänge zu verwalten. Das Grundkonzept besteht darin, dass es nach ausstehenden Aufgaben sucht, die verarbeitet werden müssen, wie z. B. I/O-Operationen, Versprechen und Callbacls, und diese ausführt, wenn sie bereit sind.

1.1 Wie es in der Praxis funktioniert:

Wenn ein asynchroner Vorgang initiiert wird (z. B. eine Abfrage an eine API), wird er an libuv delegiert. In der Zwischenzeit akzeptiert die Ereignisschleife weiterhin andere Verbindungen.
Wenn der asynchrone Vorgang abgeschlossen ist, gibt libuv das Ergebnis an die Ereigniswarteschlange zurück, und die Ereignisschleife platziert dann den mit dem Vorgang verknüpften Rückruf auf dem Aufrufstapel.

1.2 Einschränkungen der Ereignisschleife:

• Wenn sich eine zeitaufwändige oder CPU-intensive Aufgabe auf dem Aufrufstapel befindet, kann sie die Verarbeitung anderer Vorgänge blockieren und so die Effizienz verringern.

• Die Parallelität ist begrenzt, da alles in einem einzigen Hauptthread läuft.

2. BEAM VM und OTP

Elixir basiert auf der BEAM VM, der gleichen virtuellen Maschine, die Erlang antreibt und für ihre Fähigkeit bekannt ist, hohe Parallelität und Ausfallsicherheit zu bewältigen. Im Gegensatz zu Node.js ist Elixir nicht von einem einzelnen Thread abhängig. Stattdessen werden extrem einfache und isolierte Prozesse verwendet, die von BEAM verwaltet werden.

2.1 Wie es in der Praxis funktioniert:

• Jeder Prozess in Elixir ist unabhängig, das heißt, sie teilen sich keinen Speicher und blockieren sich nicht gegenseitig.
• Diese Prozesse werden von BEAM verwaltet, das Millionen von Prozessen gleichzeitig erstellen und verwalten und die Last auf alle verfügbaren CPU-Kerne verteilen kann.
• Darüber hinaus wird Elixir mit OTP (Open Telecom Platform) geliefert, das eine Reihe von Bibliotheken und Tools zum Aufbau robuster und verteilter Systeme bereitstellt.

2.2 Vorteile von BEAM und OTP:

• Skalierbarkeit: BEAM kann Prozesse auf alle CPU-Kerne verteilen und so die Ressourcennutzung maximieren.
• Resilienz: Wenn ein Prozess ausfällt, hat dies keine Auswirkungen auf andere Prozesse. Dadurch können Sie fehlertolerante Systeme aufbauen.
• Echter Wettbewerb: Im Gegensatz zur Ereignisschleife, die auf einen einzelnen Thread beschränkt ist, kann Elixir Prozesse wirklich parallel ausführen und dabei mehrere CPU-Kerne nutzen.

3. Vergleich von Node.js und Elixir in der Praxis

Stellen wir uns einen Server vor, der Tausende von gleichzeitigen Verbindungen verarbeiten muss, von denen jede asynchrone Vorgänge und einige schwere und längere Verarbeitungsvorgänge ausführt.

3.1 Mit Node.js:

• Der Server ist bis zu einem gewissen Grad effizient, aber wenn sich die Vorgänge häufen, wird die Ereignisschleife langsam überlastet. Obwohl eine gute Nutzung der in JS und Node verfügbaren Ressourcen die Leistung erheblich verbessern kann, beispielsweise die korrekte Verwendung von async/wait und/oder then/catch und integrierten Ressourcen wie lib node:cluster
• Dies kann zu Verzögerungen bei der Reaktion auf neue Verbindungen führen, was zu erheblichen Leistungseinbußen führt.

3.2 Mit Elixier:

• Jede Verbindung kann durch einen separaten Prozess verwaltet werden. E/A-Vorgänge, Berechnungen und sogar Fehler können isoliert verwaltet werden.
• BEAM verteilt die Last effizient und sorgt so dafür, dass das System auch bei hoher Beanspruchung weiterhin ohne größere Probleme funktioniert.
• Bei Bedarf besteht die Möglichkeit, zwischen Prozessen per Nachricht zu kommunizieren.
• BEAM Preemptive Scheduling Engine.

Abschluss

Node.js ist ein hervorragendes Tool für viele Anwendungen, insbesondere für solche, die sich mit einfachen asynchronen Vorgängen befassen und keine starke CPU-Verarbeitung erfordern. Allerdings kann sein Single-Thread-basiertes Parallelitätsmodell in komplexeren Szenarien ein Engpass sein.

Elixir bietet mit BEAM VM und nativer Unterstützung für schlanke Prozesse und massive Parallelität eine robuste und effiziente Alternative für Systeme, die eine große Anzahl gleichzeitiger Vorgänge bewältigen und die Last auf mehrere CPU-Threads verteilen müssen . Wenn Sie Ausfallsicherheit, Skalierbarkeit und hohe Parallelität benötigen, ist Elixir die richtige Wahl.

Während der Titel dieses Artikels kühn darauf hindeutet, dass Elixir und BEAM Node.js bei der asynchronen Verarbeitung übertreffen, ist es wichtig zu erkennen, dass es erhebliche Unterschiede zwischen diesen Technologien gibt. Bei der Entscheidung, welche verwendet werden soll, müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, nicht nur die hier diskutierte Parallelität und Parallelität. Aspekte wie das Ökosystem, die Vertrautheit des Teams mit der Sprache, spezifische Projektanforderungen und die Art der auszuführenden Aufgaben spielen eine entscheidende Rolle bei der Auswahl des besten Tools für die Aufgabe. Schließlich hat jedes Szenario seine Besonderheiten und die Wahl der Technologie muss mit einer ganzheitlichen Sichtweise und unter Berücksichtigung aller Bedürfnisse und Herausforderungen des Projekts getroffen werden.

Bibliographie

Themen:

Threads sind die kleinsten Ausführungseinheiten in einem Programm. Auf vielen Betriebssystemen kann ein Prozess mehrere Threads enthalten, von denen jeder einen anderen Teil des Programms ausführt. Threads können Speicher und Ressourcen gemeinsam nutzen, dies kann jedoch zu Parallelitätsproblemen wie Race Conditions führen.

Wettbewerb:

Parallelität ist die Fähigkeit eines Systems, mehrere Aufgaben gleichzeitig zu erledigen. In einem gleichzeitigen System können mehrere Aufgaben unabhängig voneinander ausgeführt werden, auch wenn sie nicht gleichzeitig ausgeführt werden. BEAM verwaltet beispielsweise konkurrierende Prozesse, die unabhängig voneinander ablaufen.

Ereignisschleife:

Die Ereignisschleife ist ein Entwurfsmuster, das in Systemen wie Node.js zur Verwaltung asynchroner Vorgänge verwendet wird. Es arbeitet in einem einzelnen Thread, führt Aufgaben zyklisch aus, reagiert auf Ereignisse wie E/A und asynchrone Ausführungen und stellt sicher, dass das Programm weiterhin reagiert, während es auf lange Vorgänge wartet.

Parallelität:

Parallelität ist die gleichzeitige Ausführung mehrerer Aufgaben auf verschiedenen CPU-Kernen. Im Gegensatz zur Parallelität, die sich auf die Verwaltung gleichzeitiger Aufgaben bezieht, geht es bei der Parallelität um die tatsächliche gleichzeitige Ausführung dieser Aufgaben. BEAM verteilt Prozesse auf mehrere Kerne, um die Parallelität zu maximieren.

Leichtbauprozesse:

In BEAM sind Lightweight-Prozesse Ausführungseinheiten, die viel speicher- und CPU-effizienter sind als herkömmliche Threads. Sie sind voneinander isoliert und werden von BEAM verwaltet, wodurch Sie Millionen gleichzeitiger Prozesse erstellen und verwalten können.

Präventive Planung:

Preemptive Scheduling ist ein Laufzeitverwaltungssystem, bei dem das Betriebssystem oder die virtuelle Maschine jedem Prozess Zeitscheiben zuweist und so sicherstellt, dass kein Prozess die CPU monopolisiert. Bei BEAM stellt dies sicher, dass alle Prozesse eine Chance haben, fair abgewickelt zu werden.

BEAM-VM:

BEAM (Bogdan/Björns Erlang Abstract Machine) ist die virtuelle Maschine, die Erlang- und Elixir-Code ausführt. Es ist bekannt für seine Fähigkeit, schlanke Prozesse effizient zu verwalten, massive Parallelität und Parallelität zu unterstützen und Fehlertoleranz zu bieten.

OTP (Offene Telekommunikationsplattform):

OTP ist eine Reihe von Bibliotheken und Designmustern, die mit Erlang und Elixir geliefert werden. Es bietet Tools zum Aufbau gleichzeitiger, verteilter und fehlertoleranter Systeme und erleichtert so die Entwicklung robuster und skalierbarer Anwendungen.

libuv

ist eine plattformübergreifende Bibliothek, die Unterstützung für asynchrone E/A-Vorgänge in Node.js bietet. Es ist für die Implementierung der Ereignisschleife und die Abstraktion von Betriebssystemfunktionen wie Netzwerkoperationen, Dateisystem und Threads verantwortlich. libuv ermöglicht Node.js die effiziente Ausführung asynchroner Aufgaben in einem einzelnen Thread und nutzt einen internen Thread-Pool zum Blockieren von Vorgängen, um die Kontinuität der Hauptereignisschleife sicherzustellen.

E/A-Operationen

E/A-Vorgänge (Eingabe/Ausgabe) beziehen sich auf jede Interaktion zwischen einem Programm und der Außenwelt, z. B. das Lesen oder Schreiben von Dateien, die Kommunikation mit Hardwaregeräten oder den Datenaustausch über das Netzwerk. Diese Vorgänge können zeitaufwändig sein und werden auf vielen Systemen asynchron ausgeführt, um zu verhindern, dass das Programm blockiert, während es auf den Abschluss des Vorgangs wartet.

Referenzen

ERLANG. Die kurze BEAM-Einführung. Erlang Blog, 2020. Verfügbar unter: https://www.erlang.org/blog/a-brief-beam-primer/. Zugriff am: 29. August. 2024.

ERLANG. Erste Schritte mit Erlang [PDF]. Erlang.org. Verfügbar unter: https://erlang.org/download/erlang-book-part1.pdf. Zugriff am: 29. August. 2024.

NODE.DOCTORS. Eine animierte Anleitung zur Node.js-Ereignisschleife. Dev.to, 2021. Verfügbar unter: https://dev.to/nodedoctors/an-animated-guide-to-nodejs-event-loop-3g62. Zugriff am: 29. August. 2024.

NODE.DOCTORS. Animierte Node.js-Ereignisschleifenphasen. Dev.to, 2022. Verfügbar unter: https://dev.to/nodedoctors/animated-nodejs-event-loop-phases-1mcp. Zugriff am: 29. August. 2024.

NODE.JS. Cluster. Node.js, 2023. Verfügbar unter: https://nodejs.org/api/cluster.html. Zugriff am: 29. August. 2024.

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