En esta nota exploraremos los aspectos internos de la máquina virtual BEAM o VM por sus siglas en inglés (Virtual Machine). Y haremos una comparación con la máquina virtual de Java, la JVM.

El éxito de cualquier lenguaje de programación en el ecosistema Erlang puede ser repartido a tres componentes estrechamente acoplados:

1. la semántica del lenguaje de programación Erlang, que es la base sobre la cual otros lenguajes están implementados
2. las bibliotecas OTP y middleware usados para construir arquitecturas escalabels y sistemas concurrentes y resilientes y
3. la máquina virtual BEAM, estrechamente acoplada a la semántica del lenguaje y OPT.

Toma cualquiera de estos componentes por si solo y tendras a un potencial ganador. Pero si consideras a los tres juntos, tendrás a un ganador indiscutible para el desarrollo de sistemas escalables, resilientes y soft-real time. Citando a Joe Armstrong:

“Puedes copiar las bibliotecas de Erlang, pero si no corren en la BEAM, no puedes emular la semánticas”

Esta idea es reforzada por la primera regla de programación de Robert Virding, que establece que “Cualquier programa concurrente escrito en otro lenguaje y que sea lo suficientemente complejo, contiene una implementación ad hoc, específicada informalmente, lenta y plagada de errores, de la mitad de Erlang.”

En esta nota vamos a explorar los aspectos internos de la máquina virtual BEAM. Compararemos algunos de ellos con la JVM, señalando las razones por las que deberías poner especial atención en ellos. Por mucho tiempo estos componentes han sido tratados como una caja negra, y confiamos ciegamente en ellos sin entender que hay detrás. Es tiempo de cambiar eso!

Aspectos relevantes de la BEAM

Erlang y la máquina virtual BEAM fueron inventados para tener una herramienta que resolviera un problema específico. Fueron desarrollados por Ericsson para ayudar a implementar la infraestructura de un sistema de telecomunicaciones que manejara redes fijas y móviles. Esta infraestructura por naturaleza es altamente concurrente y escalable. Tiene que funcionar en tiempo real y posiblemente nunca presentar fallas. No queremos que nuestra llamada de Hangouts con nuestra abuela de pronto terminé por un error, o estar en un juego en línea como Fortnite y que se interrumpa porque le tienen que hacer actualizaciones. La máquina virtual BEAM está optimizada para resolver muchos de estos retos, gracias a características que funcionan con un modelo de programación concurrente predecible.

La receta secreta son los procesos Erlang, que son ligeros, no comparten memoria y son administrados por schedulers capaces de manejar millones a través de múltiples procesadores. Utiliza un recolector de basura que corre en un proceso por si mismo y está altamente optimizado para reducir el impacto en otros procesos. Como resultado de esto, el recolector de basura no afecta las propiedades globales en tiempo real del sistema. La BEAM es también la única máquina virtual utilizada ampliamente a escala con un modelo de distribución hecho a la medida, que permite a un programa ejecutarse en múltiples máquinas de manera transparente.

Aspectos relevantes de la JVM

La máquina virtual de Java o JVM por sus siglas en inglés (Java Virtual Machine) fue desarrollada por Sun Microsystem en un intento de proveer un plataforma en la que “escribes código una vez” y corre en donde sea. Crearon un lenguaje orientado a objetos, similar a C++ pero que fuera memory-safe ya que la detección de errores en tiempo de ejecución revisa los límites de los arreglos y las desreferencias de punteros. El ecosistema JVM se volvió extremamente popular en la era del Internet, convirtiéndose un estándar de-facto para el desarrollo de aplicaciones de servidores empresariales. El amplio rango de aplicabilidad fue posible gracias a una máquina virtual que se adapta a muchos  casos de uso y a un impresionante conjunto de bibliotecas que se adaptan al desarrollo empresarial.

La JVM fue diseñada pensando en eficiencia. La mayoría de sus conceptos son una abstracción de características encontradas en populares sistemas operativos, como el modelo de hilos, similar al manejo de hilos o threads del sistema operativo. La JVM es altamente personalizable, incluyendo el recolector de basura y class loaders. Algunas implementaciones del recolector de basura de última generación brindan características ajustables que se adaptan a un modelo de programación basado en memoria compartida. 

La JVM le permite modificar el código mientras se ejecuta el programa. Y, un compilador JIT permite que el código de bytes se compile en el código de máquina nativo con la intención de acelerar partes de la aplicación.

La concurrencia en el mundo de Java se relaciona principalmente con la ejecución de aplicaciones en subprocesos paralelos, lo que garantiza que sean rápidos. La programación con primitivas de concurrencia es una tarea difícil debido a los desafíos creados por su modelo de memoria compartida. Para superar estas dificultades, existen intentos de simplificar y unificar los modelos de programación concurrentes, como el marco Akka, que es el intento más exitoso.

Concurrencia y Paralelismo

Cuando hablamos de ejecución de código paralela, nos referismo a que partes del código se ejecutan al mismo tiempo en múltiples procesadores, o computadoras, mientras que programación concurrente se refiere al manejo de eventos que llegan de forma independiente. Una ejecución concurrente se puede simular en hardware de un solo subproceso, mientras que la ejecución en paralelo no. Aunque esta distinción puede parecer pedante, la diferencia da como resultado problemas por resolver con enfoques muy diferentes. Piense en muchos cocineros que preparan un plato de pasta carbonara. En el enfoque paralelo, las tareas se dividen entre la cantidad de cocineros disponibles, y una sola parte se completaría tan rápido como les tome a estos cocineros completar sus tareas específicas. En un mundo concurrente, obtendría una porción para cada cocinero, donde cada cocinero hace todas las tareas. 

Utilice el paralelismo para velocidad y la concurrencia para escalabilidad.

La ejecución en paralelo intenta resolver una descomposición óptima del problema en partes independientes entre sí. Hervir el agua, sacar la pasta, mezclar el huevo, freír el jamón, rallar el queso. Los datos compartidos (o en nuestro ejemplo, el plato a servir) se manejan mediante bloqueos, mutexes y otras técnicas que garantizan la correcta ejecución. Otra forma de ver esto es que los datos (o ingredientes) están presentes y queremos utilizar tantos recursos de CPU paralelos como sea posible para terminar el trabajo lo más rápido que se pueda.

La programación concurrente, por otro lado, trata con muchos eventos que llegan al sistema en diferentes momentos y trata de procesarlos todos dentro de un tiempo razonable. En arquitecturas multi-procesadores o distribuidas, parte de la ejecución se lleva a cabo en paralelo, pero esto no es un requisito. Otra forma de verlo es que el mismo cocinero hierve el agua, saca la pasta, mezcla los huevos, etc., siguiendo un algoritmo secuencial que es siempre el mismo. Lo que cambia entre procesos (o cocciones) son los datos (o ingredientes) en los que trabajar, que existen en múltiples instancias.

La JVM está diseñada para el paralelismo, la BEAM para la concurrencia. Son dos problemas intrínsecamente diferentes, que requieren soluciones diferentes.

La BEAM y la concurrencia

La BEAM proporciona procesos ligeros para dar contexto al código en ejecución. Estos procesos, también llamados actores, no comparten memoria, sino que se comunican a través del paso de mensajes, copiando datos de un proceso a otro. El paso de mensajes es una característica que la máquina virtual implementa a través de buzones de correo que tienen los procesos individualmente. El paso de mensajes es una operación no-bloqueante, lo que significa que enviar un mensaje de un proceso a otro otro es casi instantáneo y la ejecución del remitente no se bloquea. Los mensajes enviados tienen la forma de datos inmutables, copiados de la pila del proceso remitente al buzón del proceso receptor. Esto se logra sin necesidad de bloqueos y mutexes entre los procesos, el único bloqueo en el buzón o mailbox es en caso de que varios procesos envíen un mensaje al mismo destinatario en paralelo.

Los datos inmutables y el paso de mensajes permiten al programador escribir procesos que funcionan de forma independiente y que se centran en la funcionalidad en lugar del manejo de bajo nivel de la memoria y la programación de tareas. Este diseño simple no solo funciona en un solo proceso, sino también en múltiples threads en una máquina local que se ejecuta en la misma VM y utilizando la distribución integrada, a través de la red con un grupo de VMs y máquinas. Si los mensajes son inmutables entre procesos, se pueden enviar a otro subproceso (o máquina) sin bloqueos, escalando casi linealmente en arquitecturas distribuidas de varios procesadores. Los procesos se abordan de la misma manera en una VM local que en un clúster de VM, el envío de mensajes funciona de manera transparente, independientemente de la ubicación del proceso de recepción.

Los procesos no comparten memoria, permitiendo replicar los datos para mayor resiliencia, y distribuirlos para escalar. Esto significa que se pueden tener dos instancias del mismo proceso en dos máquinas separadas, compartiendo una actualización de estado entre ellas. Si una máquina falla entonces la otra tiene una copia de los datos y puede continuar manejando la solicitud, haciendo el sistema tolerante a fallas. Si ambas máquinas están operando, ambos procesos pueden manejar peticiones, brindando así escalabilidad. La BEAM proporcional primitivas altamente optmizadas para que todo esto funcione sin problemas, mientras que OTP (la biblioteca estándar) proporciona las construcciones de nivel superior para facilitar la vida de los programadores.

Akka hace un gran trabajo al replicar las construcciones de nivel superior, pero esta de alguna manera limitado por la falta de primitivas proporcionadas por la JVm, permitiendo estar altamente optimizada para concurrencia. Si bien las primitivas de la JVM permiten una gama más amplia de casos de uso, hacen el desarrollo de sistemas distribuidos más complicado al no tener características por default para la comunicación y a menudo se basan en un modelo de memoria compartida. Por ejemplo, ¿en qué parte de un sistema distribuido coloca memoria compartida? ¿Y cuál es el costo de acceder a ella?

Scheduler

Mencionamos que una de las características más fuertes de la BEAM es la capacidad de dividir un programa en procesos pequeños y livianos. La gestión de estos procesos es tarea del scheduler. A diferencia de la JVM, que asigna sus subprocesos a threads del sistema operativo y deja que este los administre, la BEAM viene con su propio scheduler o administrador.

El scheduler inicia por default un hilo del sistema operativo (OS thread)por cada procesador de la máquina y optimiza la carga entre ellos. Cada proceso consiste en código que será ejecutado y un estado que cambia con el tiempo. El scheduler escoge el primer proceso en la cola de ejecución que esté listo para correr, le asigna una cierta cantidad de reducciones para ejecutarse, donde cada reducción es el equivalente aproximado a un comando. Una vez que el proceso se ha quedado sin reducciones, sera bloqueado por I/O, y se queda esperando un mensaje o que pueda completar su ejecución, el scheduler escoge el siguiente proceso en la cola y lo despacha. Esta técnica es llamada preventiva.

Mencionamos el framework Akka varias veces, ya que su más grande desventaja es la necesidad de anotar el código con scheduling points, ya que la administración no está dada a nivel de la JVM. Al quitar el control de las manos del programador, las propiedades en tiempo real son preservadas y garantizadas, ya que no hay riesgo de que accidentalmente se provoque inanición del proceso.

Los procesos pueden ser esparcidos a todos los hilos disponiblews del scheduler y maximizar el uso de CPU. Hay muchas maneras de modificar el scheduler pero es raro y solo será requerido en ciertos casos límite, ya que las opciones predeterminadas cubren la mayoría de los patrones de uso.

Hay un tema sensible que aparece con frequencia con respecto a los schedulers: como manejar funciones implementadas nativamente, o NIFs por sus siglas en inglés (Natively Implemented Functions). Un NIF es un fragmento de código escrito en C, compilado como una biblioteca y ejecutado en el mismo espacio de memoria que la BEAM para mayor velocidad. El problema con los NIF es que no son preventivos y pueden afectar a los schedulers. En versiones recientes de la BEAM, se agregó una nueva función, dirty schedulers, para brindar un mejor control de los NIF. Los dirty schedulers son schedulers separados que se ejecutan en diferentes subprocesos para minimizar la interrupción que puede causar un NIF en un sistema. La palabra dirty se refiere a la naturaleza del código que ejecutan estos schedulers.

Recolector de Basura

Los lenguajes de programación modernos utilizan un recolector de basura para el manejo de memoria. Los lenguajes en la BEAM no son la excepción. Confiar en la máquina virtual para manejar los recursos y administrar la memoria es muy útil cuando desea escribir código concurrente de alto nivel, ya que simplifica la tarea. La implementación subyacente del recolector de basura es bastante sencilla y eficiente, gracias al modelo de memoria basado en el estado inmutable. Los datos se copian, no se modifican y el hecho de que los procesos no compartan memoria elimina las interdependencias de los procesos que por consiguiente, no necesitan ser administradas.

Otra característica del recolecto de basura de la BEAM es que solamente se ejecuta cuando es necesario, en un proceso por si solo, sin afectar otros procesos esperando en la cola de ejecución. Por lo tanto, el recolector de basura en Erlang no detine el mundo. Evita picos de latencia en el procesamiento, porque la máquina virtual nunca se detiene como un todo, solo se detienen procesos específicos, y nunca todos al mismo tiempo. En la práctica, es solo parte de lo que hace un proceso y se trata como otra reducción. El recolector de basura suspende el proceso por un intervalo muy corto, hablamos de microsegundos. Como resultado, habrá muchas ráfagas pequeñas, que se activarán solo cuando el proceso necesite más memoria. Un solo proceso generalmente no tiene asignadas grandes cantidades de memoria y, a menudo, es de corta duración, lo que reduce aún más el impacto al liberar inmediatamente toda su memoria. Una característica de la JVM es la capacidad de intercambiar recolectores de basura, así que al usar un recolector comercial, también es posible lograr un recolector continuo o non-stopping en la JVM.

Las características del recolector de basura son discutidas en este excelente post por Lukas Larsson. Hay muchos detalles intrincados, pero está optimizada para manejar datos inmutables de manera eficiente, dividiendo los datos entre la pila y el heap para cada proceso. El mejor enfoque es hacer la mayor parte del trabajo en procesos de corta duración.

Una pregunta que surge a menudo sobre este tema es cuánta memoria usa la BEAM. Si indgamos un poco, la máquina virtual asigna grandes porciones de memoria y utiliza allocators personalizados para almacenar los datos de manera eficiente y minimizar la sobrecarga de las llamadas al sistema. Esto tiene dos efectos visibles:

1) La memoria utilizada disminuye gradualmente después de que no se necesita espacio

2) La reasignación de grandes cantidades de datos podría significar duplicar la memoria de trabajo actual.

El primer efecto puede, si es realmente necesario, mitigarse ajustando las estrategias del allocator. El segundo es fácil de monitorear y planificar si tiene visibilidad de los diferentes tipos de uso de la memoria. (Una de esas herramientas de monitoreo que proporciona métricas del sistema listas para usar es WombatOAM).

Hot Code Loading

La carga de código en caliente o  hot code loading es probablemente la característica única más citada de BEAM. La carga de código en caliente significa que la lógica de la aplicación se puede actualizar cambiando el código ejecutable en el sistema mientras se conserva el estado del proceso interno. Esto se logra reemplazando los archivos BEAM cargados e instruyendo a la máquina virtual para que reemplace las referencias del código en los procesos en ejecución.

Es una característica fundamental para garantizar que no habrá tiempo de inactividad en una infraestructura de telecomunicaciones, donde se utilizó hardware redundante para manejar los picos. Hoy en día, en la era de la contenerización, también se utilizan otras técnicas hacer actualizaciones a un sistema en producción. Aquellos que nunca lo han usado o requerido, lo descartan como una característica no tan importante, pero no hay que subestimarla en el flujo de trabajo de desarrollo. Los desarrolladores pueden iterar más rápido reemplazando parte de su código sin tener que reiniciar el sistema para probarlo. Incluso si la aplicación no está diseñada para ser actualizable en producción, esto puede reducir el tiempo necesario para volver a compilar y re-lanzar el sistema.

Cuando no usar la BEAM

Se trata en gran medida de saber escoger la herramienta adecuada para el trabajo. 

¿Necesita un sistema que sea extremadamente rápido, pero no le preocupa la concurrencia? ¿Quiere manejar algunos eventos en paralelo de manera rápida? ¿Necesita procesar números para gráficos, IA o análisis? Siga la ruta de C++, Python o Java. La infraestructura de telecomunicaciones no necesita operaciones rápidas con floats, por lo que la velocidad nunca fue una prioridad. Con el tipado dinámico, que tiene que hacer todas las comprobaciones de tipo en tiempo de ejecución, las optimizaciones en el compilador no son tan triviales. Por lo tanto, es mejor dejar el procesamiento de números en manos de la JVM, Go u otros lenguajes que compilan de forma nativa. No es de sorprender que las operaciones de coma flotante en Erjang, la versión de Erlang que se ejecuta en la JVM, sean un 5000 % más rápidas que en la BEAM. Por otro lado, en donde hemos visto realmente brillar a la BEAM es en el uso de su concurrencia para orquestar el procesamiento de números, subcontratando el análisis a C, Julia, Python o Rust. Haces el mapa fuera de la BEAM y la reducción dentro de ella.

El mantra siempre ha sido lo suficientemente rápido. Los humanos tardan unos cientos de milisegundos en percibir un estímulo (un evento) y procesarlo en su cerebro, lo que significa que el tiempo de respuesta de micro o nano segundos no es necesario para muchas aplicaciones. Tampoco es recomendable usar la BEAM para microcontroladores, ya que consume demasiados recursos. Pero para los sistemas integrados con un poco más de potencia de procesamiento, donde los multi-procesadores se están convirtiendo en la norma, se necesita concurrencia y la BEAM brilla ahí. En los años 90, estábamos implementando conmutadores de telefonía que manejaban decenas de miles de suscriptores que se ejecutaban en placas integradas con 16 MB de memoria. ¿Cuánta memoria tiene un RaspberryPi en estos días? 

Y por último, hard-real-time. Probablemente no quiera que la BEAM administre su sistema de control de bolsas de aire. Necesita garantías sólidas, un sistema operativo en tiempo real y un lenguaje sin recolección de basura ni excepciones. Una implementación de una máquina virtual de Erlang que se ejecuta en el metal, como GRiSP, le brindará garantías similares.

Conclusión

Utilice la herramienta adecuada para el trabajo. 

Si está escribiendo un sistema soft-real time que tiene que escalar fuera de la caja y nunca fallar, y hacerlo sin la molestia de tener que reinventar la rueda, definitivamente la BEAM es la tecnología que está buscando. Para muchos, funciona como una caja negra. No saber cómo funciona sería como conducir un Ferrari y no ser capaz de lograr un rendimiento óptimo o no entender de qué parte del motor proviene ese extraño sonido. Es por eso que es importante aprender más sobre la BEAM, comprender su funcionamiento interno y estar listo para ajustarlo. Para aquellos que han usado Erlang y Elixir con ira, hemos lanzado un curso dirigido por un instructor de un día que desmitificará y explicará mucho de lo que vio mientras lo prepara para manejar la concurrencia masiva a escala. El curso está disponible a través de nuestra nueva capacitación remota dirigida por un instructor; obtenga más información aquí. También recomendamos el libro The BEAM de Erik Stenman y BEAM Wisdoms, una colección de artículos de Dmytro Lytovchenko.