并发编程模式actor详解

By Leeting Yan

Actor模型是一种并发计算的数学模型，最初由Carl Hewitt在1970年代提出，并由William Clinger在其研究生数学工作中进一步发展。这个模型基于一个简单的观点，即自治代理（称为Actor）是并发计算的原始构建块。Actor模型的核心思想是Actor之间通过消息传递进行通信，并且不共享任何状态。每个Actor都有自己的状态和行为，并且可以通过接收消息来触发行为。这种模型受到了多种编程语言研究的启发，并在各种编程语言中得到了具体实现，对系统研究产生了深远的影响 。

Actor模型的关键特点包括：

  1. 隔离性：Actor独立操作，封装了它们的状态和行为。
  2. 异步消息传递：Actor之间通过异步消息传递进行通信。
  3. 位置透明性：Actor可以分布在不同的机器上，提供了关于它们物理位置的透明度。
  4. 无共享内存：Actor不共享内存，避免了锁和共享数据的复杂性。

在Actor模型中，Actor是基本的并发单元，它们通过消息传递进行交互。每个Actor都有自己的邮箱（Mailbox），用于接收消息。Actor系统是管理和协调Actor的运行时环境，它可以跨多台机器运行，形成分布式系统 。

Actor模型的实现在不同的编程语言和框架中有所不同。例如，Erlang OTP和Elixir是使用Actor模型的著名编程平台，Akka是一个在Java虚拟机（JVM）上实现Actor模型的框架，Akka.NET是CLR上的一个类似实现。还有许多其他受Actor模型启发的并发框架，如Rust的Actix、spaad/xtra和Riker 。

在设计Actor系统时，需要考虑如何将问题分解为Actor的职责，以及它们如何通过消息传递来协作。Actor的生命周期包括创建、处理消息和终止，而Actor系统则管理Actor的生命周期，并可能提供初始化和清理的钩子 。

Actor模型提供了一种构建并发和分布式系统的有力方法。通过采用隔离、异步消息传递和位置透明性的原则，开发者可以设计出可扩展、响应迅速且具有容错性的系统 。

Actor模型是一种并发计算的模型，它将系统中的每个实体视为一个Actor，每个Actor都有自己的状态，并且能够接收来自其他Actor的消息。这种模型最初由Carl Hewitt在1973年提出，旨在通过消息传递来解决传统并发程序中共享状态的复杂性问题。每个Actor都有自己的私有状态和行为，与其他Actor之间不共享任何状态信息，仅通过消息传递进行通信。

在Actor模型中，关键特性包括封装和独立性、消息传递以及动态结构。Actor之间仅通过发送和接收消息进行交互，这种消息传递是异步的，从而增强了系统的响应性和可伸缩性。Actor可以在运行时创建更多的Actor，这种动态性使得Actor模型能够根据需要扩展系统。

Actor模型在实际开发中的应用场景包括实时消息系统、分布式计算和网络游戏等。它非常适合处理大规模并发的应用，例如在线聊天应用或实时数据处理系统。在这些场景中，Actor模型提供了一种高效的方式来管理并发请求和交互。

在编程语言和框架层面，Erlang和Elixir是两个著名的实现了Actor模型的框架。Erlang是一种旨在实现高并发、高可用性系统的编程语言，其运行时系统自然支持Actor模型。Elixir是一种建立在Erlang虚拟机上的函数式编程语言，它也采用了Actor模型来处理并发。此外，Akka是一个建立在JVM上的框架，用于构建高并发、分布式和容错的应用，它也受到了Erlang的启发。

Skynet是一个基于Actor模式设计的开源并发框架，它允许各个节点通过一个中心节点（master）来识别和连接其他节点，从而简化了分布式系统的开发。Skynet的网络架构设计精妙，其核心在于利用了一个中心节点（master）来协调整个网络中的所有节点。这种设计使得Skynet非常适合构建那些需要处理大量并发请求的系统。

Riker是一个用Rust编写的Actor框架，它受到了Scala的Akka框架的启发，并采用了一些核心概念和术语。Riker提供了ActorSystem、Actor、Props和ActorRef等组件，用于构建和管理Actor模型的应用程序。

Actix是Rust中的一个Actor模型实现，它提供了一个轻量级的框架，用于构建并发和异步的应用程序。Actix的设计注重性能和安全性，它避免了不安全的代码实践，确保了应用开发的稳健性。

Xtra是一个轻量级且高效的安全actor框架，它基于Actix理念但更胜一筹，提供了纯净的安全保障、体积小巧、性能卓越等特点。Xtra特别适合于构建分布式系统、实时通讯应用、以及需要高度并发且对延迟敏感的服务。

总的来说，Actor模型通过其独特的设计哲学为并发编程提供了强大的工具，它摒弃了传统的共享状态并发模式，转而利用消息传递来保证并发操作的正确性和效率。随着软件行业对高性能并发解决方案的需求日益增长，Actor模型的重要性和实用性愈发凸显。

Actor模型在分布式系统中的优势和局限性可以从多个角度进行分析。以下是对Actor模型的详细探讨：

优势

  1. 封装性和独立性：每个Actor都是一个封装的实体，拥有自己的状态和行为。这种封装性使得系统更加模块化，便于理解和维护。

  2. 并发性：Actor模型天然支持并发，因为它避免了共享状态，每个Actor可以独立地在不同的线程或进程中运行，从而提高了系统的并发处理能力。

  3. 消息传递：Actor通过消息传递进行通信，这种方式是异步的，可以减少锁的使用，避免了死锁和竞态条件，提高了系统的响应性和可伸缩性。

  4. 容错性：Actor模型支持故障隔离，一个Actor的失败不会直接影响到其他Actor。这种特性使得系统更加稳定，易于实现自我修复和恢复机制。

  5. 扩展性：在Actor模型中，可以通过增加Actor的数量来扩展系统，每个Actor可以独立地在不同的节点上运行，适合构建大规模分布式系统。

  6. 简化编程模型：Actor模型简化了并发编程的复杂性，开发者只需关注Actor之间的消息传递，而不需要处理底层的线程管理和同步问题。

局限性

  1. 性能开销：Actor模型中的每个消息传递都涉及到序列化和反序列化，这可能会带来额外的性能开销。

  2. 复杂的系统行为：由于Actor之间的交互是异步的，这可能会导致系统的行为难以预测和调试，特别是在涉及到大量Actor和复杂交互时。

  3. 资源限制：在某些情况下，创建大量的Actor可能会消耗大量的内存和处理器资源，尤其是在资源受限的环境中。

  4. 消息顺序：Actor模型不保证消息的顺序，如果应用逻辑依赖于消息的特定顺序，可能需要额外的机制来保证顺序性。

  5. 可重用性问题：Actor模型中，公共逻辑需要在每个Actor中重写，这可能导致代码重复，降低代码的可重用性。

  6. 不适合所有场景：对于一些需要严格同步或者顺序执行的任务，Actor模型可能不是最佳选择，因为它本质上是异步的。

应用实例

Actor模型已经被广泛应用于多种编程语言和框架中，例如：

  • Erlang/OTP：Erlang是一种面向并发的编程语言，OTP是Erlang的标准库，它们都广泛使用了Actor模型。
  • Akka：Akka是一个在JVM上构建高度并发、分布式和弹性的消息驱动应用程序的工具包，它基于Actor模型。
  • Quasar：Quasar是一个开源的JVM库，它参考了Actor模型，为JVM提供了高性能、轻量级的线程。

总的来说，Actor模型在分布式系统中提供了一种强大的并发编程范式，它通过消息传递和Actor的封装性，简化了并发编程的复杂性，提高了系统的可扩展性和容错性。然而，它也有一些局限性，如性能开销和系统行为的复杂性，这些需要在实际应用中进行权衡和优化。