Java并发编程实战~Actor 模型

Hello Actor 模型

Actor 模型本质上是一种计算模型,基本的计算单元称为 Actor,换言之,在 Actor 模型中,所有的计算都是在 Actor 中执行的。在面向对象编程里面,一切都是对象;在 Actor 模型里,一切都是 Actor,并且 Actor 之间是完全隔离的,不会共享任何变量。

当看到“不共享任何变量”的时候,相信你一定会眼前一亮,并发问题的根源就在于共享变量,而 Actor 模型中 Actor 之间不共享变量,那用 Actor 模型解决并发问题,一定是相当顺手。的确是这样,所以很多人就把 Actor 模型定义为一种并发计算模型。其实 Actor 模型早在 1973 年就被提出来了,只是直到最近几年才被广泛关注,一个主要原因就在于它是解决并发问题的利器,而最近几年随着多核处理器的发展,并发问题被推到了风口浪尖上。

但是 Java 语言本身并不支持 Actor 模型,所以如果你想在 Java 语言里使用 Actor 模型,就需要借助第三方类库,目前能完备地支持 Actor 模型而且比较成熟的类库就是 Akka 了。在详细介绍 Actor 模型之前,我们就先基于 Akka 写一个 Hello World 程序,让你对 Actor 模型先有个感官的印象。

在下面的示例代码中,我们首先创建了一个 ActorSystem(Actor 不能脱离 ActorSystem 存在);之后创建了一个 HelloActor,Akka 中创建 Actor 并不是 new 一个对象出来,而是通过调用 system.actorOf() 方法创建的,该方法返回的是 ActorRef,而不是 HelloActor;最后通过调用 ActorRef 的 tell() 方法给 HelloActor 发送了一条消息 “Actor” 。

//该Actor当收到消息message后,
//会打印Hello message
static class HelloActor extends UntypedActor {@Overridepublic void onReceive(Object message) {System.out.println("Hello " + message);}
}
public static void main(String[] args) {//创建Actor系统ActorSystem system = ActorSystem.create("HelloSystem");//创建HelloActorActorRef helloActor = system.actorOf(Props.create(HelloActor.class));//发送消息给HelloActorhelloActor.tell("Actor", ActorRef.noSender());
}

通过这个例子,你会发现 Actor 模型和面向对象编程契合度非常高,完全可以用 Actor 类比面向对象编程里面的对象,而且 Actor 之间的通信方式完美地遵守了消息机制,而不是通过对象方法来实现对象之间的通信。那 Actor 中的消息机制和面向对象语言里的对象方法有什么区别呢?

消息和对象方法的区别

在没有计算机的时代,异地的朋友往往是通过写信来交流感情的,但信件发出去之后,也许会在寄送过程中弄丢了,也有可能寄到后,对方一直没有时间写回信……这个时候都可以让邮局“背个锅”,不过无论如何,也不过是重写一封,生活继续。

Actor 中的消息机制,就可以类比这现实世界里的写信。Actor 内部有一个邮箱(Mailbox),接收到的消息都是先放到邮箱里,如果邮箱里有积压的消息,那么新收到的消息就不会马上得到处理,也正是因为 Actor 使用单线程处理消息,所以不会出现并发问题。你可以把 Actor 内部的工作模式想象成只有一个消费者线程的生产者 - 消费者模式。
所以,在 Actor 模型里,发送消息仅仅是把消息发出去而已,接收消息的 Actor 在接收到消息后,也不一定会立即处理,也就是说 Actor 中的消息机制完全是异步的。而调用对象方法,实际上是同步的,对象方法 return 之前,调用方会一直等待。

除此之外,调用对象方法,需要持有对象的引用,所有的对象必须在同一个进程中。而在 Actor 中发送消息,类似于现实中的写信,只需要知道对方的地址就可以,发送消息和接收消息的 Actor 可以不在一个进程中,也可以不在同一台机器上。因此,Actor 模型不但适用于并发计算,还适用于分布式计算。

Actor 的规范化定义

通过上面的介绍,相信你应该已经对 Actor 有一个感官印象了,下面我们再来看看 Actor 规范化的定义是什么样的。Actor 是一种基础的计算单元,具体来讲包括三部分能力,分别是:

  • 处理能力,处理接收到的消息。
  • 存储能力,Actor 可以存储自己的内部状态,并且内部状态在不同 Actor 之间是绝对隔离的。
  • 通信能力,Actor 可以和其他 Actor 之间通信。

当一个 Actor 接收的一条消息之后,这个 Actor 可以做以下三件事:

  • 创建更多的 Actor;
  • 发消息给其他 Actor;
  • 确定如何处理下一条消息。

其中前两条还是很好理解的,就是最后一条,该如何去理解呢?前面我们说过 Actor 具备存储能力,它有自己的内部状态,所以你也可以把 Actor 看作一个状态机,把 Actor 处理消息看作是触发状态机的状态变化;而状态机的变化往往要基于上一个状态,触发状态机发生变化的时刻,上一个状态必须是确定的,所以确定如何处理下一条消息,本质上不过是改变内部状态。

在多线程里面,由于可能存在竞态条件,所以根据当前状态确定如何处理下一条消息还是有难度的,需要使用各种同步工具,但在 Actor 模型里,由于是单线程处理,所以就不存在竞态条件问题了。
用 Actor 实现累加器

支持并发的累加器可能是最简单并且有代表性的并发问题了,可以基于互斥锁方案实现,也可以基于原子类实现,但今天我们要尝试用 Actor 来实现。

在下面的示例代码中,CounterActor 内部持有累计值 counter,当 CounterActor 接收到一个数值型的消息 message 时,就将累计值 counter += message;但如果是其他类型的消息,则打印当前累计值 counter。在 main() 方法中,我们启动了 4 个线程来执行累加操作。整个程序没有锁,也没有 CAS,但是程序是线程安全的。

//累加器
static class CounterActor extends UntypedActor {private int counter = 0;@Overridepublic void onReceive(Object message){//如果接收到的消息是数字类型,执行累加操作,//否则打印counter的值if (message instanceof Number) {counter += ((Number) message).intValue();} else {System.out.println(counter);}}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//创建Actor系统ActorSystem system = ActorSystem.create("HelloSystem");//4个线程生产消息ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(4);//创建CounterActor ActorRef counterActor = system.actorOf(Props.create(CounterActor.class));//生产4*100000个消息 for (int i=0; i<4; i++) {es.execute(()->{for (int j=0; j<100000; j++) {counterActor.tell(1, ActorRef.noSender());}});}//关闭线程池es.shutdown();//等待CounterActor处理完所有消息Thread.sleep(1000);//打印结果counterActor.tell("", ActorRef.noSender());//关闭Actor系统system.shutdown();
}

总结

Actor 模型是一种非常简单的计算模型,其中 Actor 是最基本的计算单元,Actor 之间是通过消息进行通信。Actor 与面向对象编程(OOP)中的对象匹配度非常高,在面向对象编程里,系统由类似于生物细胞那样的对象构成,对象之间也是通过消息进行通信,所以在面向对象语言里使用 Actor 模型基本上不会有违和感。

在 Java 领域,除了可以使用 Akka 来支持 Actor 模型外,还可以使用 Vert.x,不过相对来说 Vert.x 更像是 Actor 模型的隐式实现,对应关系不像 Akka 那样明显,不过本质上也是一种 Actor 模型。

Actor 可以创建新的 Actor,这些 Actor 最终会呈现出一个树状结构,非常像现实世界里的组织结构,所以利用 Actor 模型来对程序进行建模,和现实世界的匹配度非常高。Actor 模型和现实世界一样都是异步模型,理论上不保证消息百分百送达,也不保证消息送达的顺序和发送的顺序是一致的,甚至无法保证消息会被百分百处理。虽然实现 Actor 模型的厂商都在试图解决这些问题,但遗憾的是解决得并不完美,所以使用 Actor 模型也是有成本的。
 

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