Akka：Actor - 靠消息驱动的运算器

Posted 2020-09-15 雪川大虫

  Akka是由各种角色和功能的Actor组成的，工作的主要原理是把一项大的计算任务分割成小环节，再按各环节的要求构建相应功能的Actor，然后把各环节的运算托付给相应的Actor去独立完成。Akka是个工具库（Tools-Library），不是一个软件架构（Software-Framework），我们不需要按照Akka的框架格式去编写程序，而是直接按需要构建Actor去异步运算一项完整的功能，这样让用户在不知不觉中自然的实现了多线程并发软件编程（concurrent programming）。按这样的描述，Actor就是一种靠消息驱动（Message-driven）的运算器，我们可以直接调用它来运算一段程序。消息驱动模式的好处是可以实现高度的松散耦合（loosely-coupling）,因为系统部件之间不用软件接口，而是通过消息来进行系统集成的。消息驱动模式支持了每个Actor的独立运算环境，又可以在运行时按需要灵活的对系统Actor进行增减，伸缩自如，甚至可以在运行时（runtime）对系统部署进行调配。Akka的这些鲜明的特点都是通过消息驱动来实现的。

曾经看到一个关于Actor模式的观点：认为Actor并不适合并发（concurrency）编程，更应该是维护内部状态的运算工具。听起来好像很无知，毕竟Actor模式本身就是并发模式，如果不适合并发编程，岂不与Akka的发明意愿相左。再仔细研究了一下这个观点的论述后就完全认同了这种看法。在这里我们分析一下这种论述，先看看下面这段Actor用法伪代码：

 class QueryActor extends Actor {
    override def receive: Receive = {
      case GetResult(query) => 
        val x = db.RunQuery(query)
        val y = getValue(x)
        sender() ! computeResult(x,y)
    }
  }

  val result: Future[Any] = QueryActor ? GetResult(...)

这段代码中QueryActor没有任何内部状态。通过Future传递计算结果能实现不阻塞（non-blocking）运算。下面我们用QueryActor来实现并发运算：

  val r1 = QueryActor ! request1
  val r2 = QueryActor ! request2
  for {
    x <- r1
    y <- r2
  } yield combineValues(x,y)

乍眼看r1和r2貌似能实现并行运算，但不要忘记Actor运算环境是单线程的，而Actor信箱又是按序的（Ordered），所以这两个运算只能按顺序运行，最多也就是能在另一个线程里异步进行而已，r1运算始终会阻塞r2的运行。如此还不如直接使用Future，能更好的实现并发程序的并行运算。同样的要求如果用Future来实现的话可以用下面的伪代码：

  def fuQuery(query: DBQuery): Future[FResult] = Future {
    val x = db.RunQuery(query)
    val y = getValue(x)
    computeResults(x,y)
  } 

  val r1 = fuQuery(query1)
  val r2 = fuQuery(query2)
  for {
    x <- r1
    y <- r2
  } yield combineValues(x,y)

在这个例子里r1和r2就真正是并行运算的。从这个案例中我的结论是尽量把Akka Actor使用在需要维护内部状态的应用中。如果为了实现non-blocking只需要把程序分布到不同的线程里运行的话就应该直接用Future，这样自然的多。但使用Future是完全无法维护内部状态的。

好了，回到正题：从功能上Actor是由实例引用（ActorRef），消息邮箱（Mailbox），内部状态（State），运算行为（Behavior），子类下属（Child-Actor），监管策略（Supervision/Monitoring）几部分组成。Actor的物理结构由ActorRef、Actor Instance（runtime实例）、Mailbox、dispatcher（运算器）组成。我们在本篇先介绍一下ActorRef,Mailbox,State和Behavior。

1、ActorRef：Akka系统是一个树形层级式的结构，每个节点由一个Actor代表。每一个Actor在结构中都可以用一个路径（ActorPath）来代表它在系统结构里的位置。我们可以重复用这个路径来构建Actor，但每次构建都会产生新的ActorRef。所以ActorRef是唯一的，代表了某个路径指向位置上的一个运行时的Actor实例，我们只能用ActorRef来向Actor发送消息

2、Mailbox：可以说成是一个运算指令队列（command queque）。Actor从外部接收的消息都是先存放在Mailbox里的。系统默认Mailbox中无限数量的消息是按时间顺序排列的，但用户可以按照具体需要定制Mailbox，比如有限容量信箱、按消息优先排序信箱等。

3、Behavior：简单来说就是对Mailbox里消息的反应方式。Mailbox中临时存放了从外界传来的指令，如何运算这些指令、产生什么结果都是由这些指令的运算函数来确定。所以这些函数的功能就代表着Actor的行为模式。Actor的运算行为可以通过become来替换默认的receive函数，用unbecome来恢复默认行为。

4、State：Actor内部状态，由一组变量值表示。当前内部状态即行为函数最后一次运算所产生的变量值

下面我们就用个例子来示范Actor：模拟一个吝啬人的钱包，他总是会把付出放在最次要的位置。如此我们可以用消息优先排序信箱UnboundedPriorityMailbox来实现。按照Akka程序标准格式，我们先把每个Actor所需要处理的消息和Props构建放在它的伴生对象里：

  object Wallet {
    sealed trait WalletMsg
    case object ZipUp extends WalletMsg    //锁钱包
    case object UnZip extends WalletMsg    //开钱包
    case class PutIn(amt: Double) extends WalletMsg   //存入
    case class DrawOut(amt: Double) extends WalletMsg //取出 
    case object CheckBalance extends WalletMsg  //查看余额

    def props = Props(new Wallet)   
  }

下面是Actor wallet的定义，必须继承Actor以及override receive函数：

    class Wallet extends Actor {
      import Wallet._
      var balance: Double = 0
      var zipped: Boolean = true

      override def receive: Receive = {
        case ZipUp =>
          zipped = true
          println("Zipping up wallet.")
        case UnZip =>
          zipped = false
          println("Unzipping wallet.")
        case PutIn(amt) =>
          if (zipped) {         
            self ! UnZip         //无论如何都要把钱存入
            self ! PutIn(amt)
          }
          else {
            balance += amt
            println(s"$amt put-in wallet.")
          }

        case DrawOut(amt) =>
          if (zipped)  //如果钱包没有打开就算了
            println("Wallet zipped, Cannot draw out!")
          else
            if ((balance - amt) < 0)
              println(s"$amt is too much, not enough in wallet!")
            else {
            balance -= amt
            println(s"$amt drawn out of wallet.")
          }

        case CheckBalance => println(s"You have $balance in your wallet.")
      }
    }

我们可以看到这个Actor的内部状态分别是：var balance, var zipped。下面是定制Mailbox定义：

  class PriorityMailbox(settings: ActorSystem.Settings, config: Config)
    extends UnboundedPriorityMailbox (
    PriorityGenerator {
      case Wallet.ZipUp => 0        
      case Wallet.UnZip => 0
      case Wallet.PutIn(_) => 0
      case Wallet.DrawOut(_) => 2
      case Wallet.CheckBalance => 4
      case PoisonPill => 4
      case otherwise => 4
     }
    )

PriorityMailbox需要继承UnboundedPriorityMailbox并且提供对比函数PriorityGenerator。ZipUp,UnZip和PutIn都是最优先的。然后在application.conf登记dispatcher的配置：

prio-dispatcher {
  mailbox-type = "PriorityMailbox"
}

下面的代码可以用来试运行Actor wallet：

object Actor101 extends App {
  val system = ActorSystem("actor101-demo",ConfigFactory.load)
  val wallet = system.actorOf(Wallet.props.withDispatcher(
    "prio-dispatcher"),"mean-wallet")

  wallet ! Wallet.UnZip
  wallet ! Wallet.PutIn(10.50)
  wallet ! Wallet.PutIn(20.30)
  wallet ! Wallet.DrawOut(10.00)
  wallet ! Wallet.ZipUp
  wallet ! Wallet.PutIn(100.00)
  wallet ! Wallet.CheckBalance

  Thread.sleep(1000)
  system.terminate()
  
}

由于需要解析application.conf里的配置，所以使用了ActorSystem(name, config)方式。构建Actor时用.withDispatcher把application.conf里的dispatcher配置prio-dispatcher传入。

运算的结果如下：

Unzipping wallet.
10.5 put-in wallet.
20.3 put-in wallet.
100.0 put-in wallet.
Zipping up wallet.
Wallet zipped, Cannot draw out!
You have 130.8 in your wallet.

Process finished with exit code 0

下面是本次示范的完整代码：

application.conf：

prio-dispatcher {
  mailbox-type = "PriorityMailbox"
}

Actor101.scala：

import akka.actor._
import akka.dispatch.PriorityGenerator
import akka.dispatch.UnboundedPriorityMailbox
import com.typesafe.config._

  object Wallet {
    sealed trait WalletMsg
    case object ZipUp extends WalletMsg    //锁钱包
    case object UnZip extends WalletMsg    //开钱包
    case class PutIn(amt: Double) extends WalletMsg   //存入
    case class DrawOut(amt: Double) extends WalletMsg //取出
    case object CheckBalance extends WalletMsg  //查看余额

    def props = Props(new Wallet)
  }


  class PriorityMailbox(settings: ActorSystem.Settings, config: Config)
    extends UnboundedPriorityMailbox (
    PriorityGenerator {
      case Wallet.ZipUp => 0
      case Wallet.UnZip => 0
      case Wallet.PutIn(_) => 0
      case Wallet.DrawOut(_) => 2
      case Wallet.CheckBalance => 4
      case PoisonPill => 4
      case otherwise => 4
     }
    )

    class Wallet extends Actor {
      import Wallet._
      var balance: Double = 0
      var zipped: Boolean = true

      override def receive: Receive = {
        case ZipUp =>
          zipped = true
          println("Zipping up wallet.")
        case UnZip =>
          zipped = false
          println("Unzipping wallet.")
        case PutIn(amt) =>
          if (zipped) {
            self ! UnZip         //无论如何都要把钱存入
            self ! PutIn(amt)
          }
          else {
            balance += amt
            println(s"$amt put-in wallet.")
          }

        case DrawOut(amt) =>
          if (zipped)  //如果钱包没有打开就算了
            println("Wallet zipped, Cannot draw out!")
          else
            if ((balance - amt) < 0)
              println(s"$amt is too much, not enough in wallet!")
            else {
            balance -= amt
            println(s"$amt drawn out of wallet.")
          }

        case CheckBalance => println(s"You have $balance in your wallet.")
      }
    }

object Actor101 extends App {
  val system = ActorSystem("actor101-demo",ConfigFactory.load)
  val wallet = system.actorOf(Wallet.props.withDispatcher(
    "prio-dispatcher"),"mean-wallet")

  wallet ! Wallet.UnZip
  wallet ! Wallet.PutIn(10.50)
  wallet ! Wallet.PutIn(20.30)
  wallet ! Wallet.DrawOut(10.00)
  wallet ! Wallet.ZipUp
  wallet ! Wallet.PutIn(100.00)
  wallet ! Wallet.CheckBalance

  Thread.sleep(1000)
  system.terminate()

}