Actor model 的理解与 protoactor-go 的分析

Overview

Definition

From wikipedia

The actor model in computer science is a mathematical model of concurrent computation that treats actor as the universal primitive of concurrent computation. In response to a message it receives, an actor can: make local decisions, create more actors, send more messages, and determine how to respond to the next message received.

将 actor 是并发计算中的一个基本原语，actor 接收消息并对收到的消息做出响应。

下面说说我个人对 actor 的理解吧，不一定对，有不对的地方欢迎指正！

为什么 Actor model 可以解决并发问题？

首先想想并发问题是如何产生的，对同一个数据进行同时写（或者同时读写）会产生并发问题。所以主需要破坏“同时”这个条件，并发问题就迎刃而解了。

常用的互斥锁就是这是这种思路，它保证同一时刻只有一个线程可以访问到数据，在锁的保护下，多个线程对数据的访问变成有序的了。

senders 给 actor 发送消息时，actor 将消息放在了它的邮箱 (Mail) 中，并从邮箱中一条条取出消息来处理。同一时刻，不会有两条消息被处理，这次消息的处理顺序是有序的，因此自然不会有并发问题。

Actor model 与 CSP

两者的概念极为相似，都符合生产者消费者模型。

在 CSP 里面，Producer 往 channel 里投递消息，comsumer 从 channel 里取出消息来处理。

在 Actor model 中，sender 往 actor 的 mail 里投递信息，actor 从 mail 里取出消息来处理。

但是两者的关注点不同，CSP 里面生产者关注的是消息队列本身，生产者只负责往消息队列里面投递消息，至于这些消息被谁消费（甚至至可能被多个消费者一起消费），它不 care。

但是 Actor model 中，生产者关注的是特定的消费者，生产者往特定的消费者投递消息，消息只能被之前所指定的消费者消费。

message queue 的缺点

利用 message queue 可以有效的解决并发问题，但是它也有一个很明显的缺点，那就是调用方没法及时得到处理的结果。

举个具体的例子：客户端发起一个请求，后端收到请求后，生成了一个对应的消息并放到了消息队列上，有一个消费者不停地从消息队列中取出消息并进行有序消费。但是消息者处理完消息后是无法将处理的结果告诉生产者的。

这个问题一般有两种解决方法：

1. 生产者不停对消费者进行轮询，询问消息的结果。
2. 消费者消费完消息后，通知生产者。

这两种方式都会增加系统的复杂度。

由于 Actor model 在我看来也是基于消费队列的，所以我很好奇它是如何做到将消息的处理结果实时地告诉 senders 的？

所以找到了 protoactor-go 这个库来学习学习

protoactor-go 的分析

在 _example 目录下面有很多关于 protoactor-go 的例子。我们明确目标，直接找到 requestreponse 这个目录，这里面的例子将是就是往 actor 对象发送一个消息，并得到消息的处理结果。

首先说一下这个库里面的一些抽象

• Actor: 一个处理消息的对象

  type Actor interface {
  	Receive(c Context)
  }
  

• ActorSystem: 多个 Actor 对象在一个 ActorSystem 内，ActorSystem 与 Actor 是一对多的关系

• PID: 用来标识一个 Actor 对象

  type PID struct {
  	Address string `protobuf:"bytes,1,opt,name=Address,proto3" json:"Address,omitempty"`
  	Id      string `protobuf:"bytes,2,opt,name=Id,proto3" json:"Id,omitempty"`
  
  	p *Process
  }
  

requestreponse/main.go 里面的代码很简单

type Hello struct{ Who string }

func Receive(context actor.Context) {
	switch msg := context.Message().(type) {
	case Hello:
		context.Respond("Hello " + msg.Who)
	}
}

func main() {
	system := actor.NewActorSystem()
	rootContext := system.Root

	props := actor.PropsFromFunc(Receive)
	pid := rootContext.Spawn(props)

	future := rootContext.RequestFuture(pid, Hello{Who: "Roger"}, -1)
	result, _ := future.Result() // await result
  
	fmt.Println(result)
	_, _ = console.ReadLine()
}

• line 11 - 12

  	system := actor.NewActorSystem()
  	rootContext := system.Root
  

  新建一个 actor system

• line 14 - 15

  	props := actor.PropsFromFunc(Receive)
  	pid := rootContext.Spawn(props)
  

  在 actor system 内构造了一个 actor，用 PID 来标识这个 actor，该 actor 收到消息后的处理逻辑是 Receive()。

• line 17 - 18

  	future := rootContext.RequestFuture(pid, Hello{Who: "Roger"}, -1)
  	result, _ := future.Result() // await result
  

  对之前新建的 actor 发送一个消息，得到一个 future 对象，并利用 future.Result() 方法取到结果。

调用 future.Result() 是消息压根还没有被处理完咋办？

先看看 Result() 方法的实现

// Result waits for the future to resolve
func (f *Future) Result() (interface{}, error) {
	f.wait()
	return f.result, f.err
}

func (f *Future) wait() {
	f.cond.L.Lock()
	for !f.done {
		f.cond.Wait()
	}
	f.cond.L.Unlock()
}

可以看到它里面用到 sync.Cond，知道 f.done 变成 true，它才会返回。而只有消息处理完毕后，f.done 才会变成 true。

所以 future.Result() 将会一直阻塞直到消息被处理完。

actor 怎样将消息的处理结果返回到对应的 sender？

其实 actor 并不会把直接把结果送回给 sender，而是将结果保存在了 Future 对象内，sender 通过调用 Future.Result() 方法取到消息的处理结果。

自 sender 发送消息起，消息时如何流转的？

RequestFuture()

首先进入到 RequestFuture 方法内

// RequestFuture sends a message to a given PID and returns a Future
func (rc *RootContext) RequestFuture(pid *PID, message interface{}, timeout time.Duration) *Future {
	future := NewFuture(rc.actorSystem, timeout)
	env := &MessageEnvelope{
		Header:  nil,
		Message: message,
		Sender:  future.PID(),
	}
	rc.sendUserMessage(pid, env)
	return future
}

• line 3

  构建了一个 future 对象 (先不用管 timeout)

• line 4 - 8

  构建了一个 MessageEnvelope (信封)对象，注意这里信封的 sender (发件人) 是 future.PID，也就是刚刚构建的 future 对象。

  由于 MessageEnvelope 里面记录了 sender 信息，所以 actor 在处理完消息后自然可以将结果发送给 sender

• line 9

  将信封对象发送给了目标 actor

• line 10

  返回 future 对象，调用者调用 future.Result() 将会陷入阻塞

func (rc *RootContext) sendUserMessage(pid *PID, message interface{}) {
	if rc.senderMiddleware != nil {
		// Request based middleware
		rc.senderMiddleware(rc, pid, WrapEnvelope(message))
	} else {
		// tell based middleware
		pid.sendUserMessage(rc.actorSystem, message)
	}
}

由于我们并没有为 RootContext 设置 senderMiddleware。所以将会直接调用

		pid.sendUserMessage(rc.actorSystem, message)

其中 pid 是我们的 target actor。

// sendUserMessage sends a messages asynchronously to the PID
func (pid *PID) sendUserMessage(actorSystem *ActorSystem, message interface{}) {
	pid.ref(actorSystem).SendUserMessage(pid, message)
}

pid.ref() 将会从 ActorSystem 里面取出 pid 所对应的 Actor Process

func (pid *PID) ref(actorSystem *ActorSystem) Process {
  // ...
  // 这里面用了两个原子操作，还蛮巧妙的
}

Process 是一个接口

// A Process is an interface that defines the base contract for interaction of actors
type Process interface {
	SendUserMessage(pid *PID, message interface{})
	SendSystemMessage(pid *PID, message interface{})
	Stop(pid *PID)
}

ActorProcess 和 futureProcess 都实现了 Process 这个接口，在此处，将会进入 ActorProcess 的实现

func (ref *ActorProcess) SendUserMessage(pid *PID, message interface{}) {
	ref.mailbox.PostUserMessage(message)
}

func (m *defaultMailbox) PostUserMessage(message interface{}) {
	for _, ms := range m.mailboxStats {
		ms.MessagePosted(message)
	}
	m.userMailbox.Push(message)
	atomic.AddInt32(&m.userMessages, 1)
	m.schedule()
}

• line 2 - 4

  先忽略

• line 5 - 6

  往 userMailbox 内推入一条消息，并将 userMessages + 1

• line 7

  调用 schedule()

func (m *defaultMailbox) schedule() {
	if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.schedulerStatus, idle, running) {
		m.dispatcher.Schedule(m.processMessages)
	}
}

func (goroutineDispatcher) Schedule(fn func()) {
	go fn()
}

这里进行了一个 CAS 操作，首先判断是否是空闲状态，如果是 idle (空闲状态) 的话，那就调用 Schedule() 方法起一个协程去处理消息。

协程中执行的就是 processMessages() 方法了

func (m *defaultMailbox) processMessages() {
process:
	m.run()

	// ...
}

func (m *defaultMailbox) run() {
	var msg interface{}

	// ...
	for {
		if msg = m.userMailbox.Pop(); msg != nil {
			atomic.AddInt32(&m.userMessages, -1)
			m.invoker.InvokeUserMessage(msg)
			// ...
		} else {
			return
		}
	}
}

在 run() 里面会利用一个 for 循环不停从 userMailbox 中取消息，并调用 InvokeUserMessage() 去处理消息

func (ctx *actorContext) InvokeUserMessage(md interface{}) {
	// ...
	ctx.processMessage(md)
	// ...	
}

func (ctx *actorContext) processMessage(m interface{}) {
	// ...
	ctx.messageOrEnvelope = m
	ctx.defaultReceive()
	ctx.messageOrEnvelope = nil // release message
}

• line 9

  将 m （需要处理的 message）放在了 actorContext.messageOrEnvelope 里面

• line 10

  调用 defaultReceive() 处理 message

• line 11

  将 actorContext.messageOrEnvelope 置为 nil，代表此条消息处理完了

有一个值得注意的地方是，在 processMessage() 里面，对 messageOrEnvelope 的赋值是没有使用 mutex 或者原子操作的。因此只有一个协程执行 processMessage() 这个方法，因此对 messageOrEnvelope 的访问时安全的。

PS: 个人感觉在 Actor model 最主要的临界区是从 actor 的 mailbox 内存入/取出消息，一旦取出消息，后面对消息的处理就是一马平川了

func (ctx *actorContext) defaultReceive() {
	// ...
	ctx.actor.Receive(Context(ctx))
}

func Receive(context actor.Context) {
	switch msg := context.Message().(type) {
	case Hello:
		context.Respond("Hello " + msg.Who)
	}
}

defaultReceive() 最终调用到了在 main.go 中声明的 Receive() 方法。

Respond()

接下来主要看看

context.Respond("Hello " + msg.Who)

这里面所做的工作

func (ctx *actorContext) Respond(response interface{}) {
	// ...
	ctx.Send(ctx.Sender(), response)
}

ctx.Sender() 用于从 message 中获取 sender 信息

func (ctx *actorContext) Sender() *PID {
	return UnwrapEnvelopeSender(ctx.messageOrEnvelope)
}

func UnwrapEnvelopeSender(message interface{}) *PID {
	if env, ok := message.(*MessageEnvelope); ok {
		return env.Sender
	}
	return nil
}

接下来的步骤就和之前差不多了，都是往指定的 PID 发送消息

func (ctx *actorContext) Send(pid *PID, message interface{}) {
	ctx.sendUserMessage(pid, message)
}

func (ctx *actorContext) sendUserMessage(pid *PID, message interface{}) {
  // ...
	pid.sendUserMessage(ctx.actorSystem, message)
}

func (pid *PID) sendUserMessage(actorSystem *ActorSystem, message interface{}) {
	pid.ref(actorSystem).SendUserMessage(pid, message)
}

唯一不同的是 pid.ref(actorSystem) 得到的将是一个 futureProcess ，之前得到的是 ActorProcess

func (ref *futureProcess) SendUserMessage(pid *PID, message interface{}) {
  // ...
	_, msg, _ := UnwrapEnvelope(message)
	// ...
  ref.result = msg
	ref.Stop(pid)
}

func UnwrapEnvelope(message interface{}) (ReadonlyMessageHeader, interface{}, *PID) {
	if env, ok := message.(*MessageEnvelope); ok {
		return env.Header, env.Message, env.Sender
	}
	return nil, message, nil
}

func (ref *futureProcess) Stop(pid *PID) {
	ref.cond.L.Lock()
	if ref.done {
		ref.cond.L.Unlock()
		return
	}

	ref.done = true
	// ...
	ref.cond.L.Unlock()
	ref.cond.Signal()
}

如上，futureProcess.SendUserMessage() 先 msg 存入 result 中，将 done 置为 true，并唤醒在 cond 上沉睡的协程 （也就是调用 ·future.Result() 的协程）

启发

从 protoactor-go 中获得的启发

1. Future 对象

   Future 这个抽象在异步编程的世界里面挺常见的，C++ 里面也是有 Future 对象的。

   想要获取异步操作的结果时，可以先让异步操作返回一个 Future 对象，并 await Future 完成即可。

   仔细一想，go 里面的 channel 不就是一个天然的 Future 对象？

2. 将 Future 抽象为了一个 Actor Process

   这一个抽象我感觉挺巧妙的，将给 Future 赋值这个操作巧妙低转换成了给 Future Actor 发消息

看源码的启发

1. 带着问题看源码，要想带着问题，前提是你需要能够提出问题，这就要求你源码的功能提前就得有一些了解
2. 抓住主干

其他疑惑 (TODO)

1. protoactor-go 是怎样处理垃圾消息 (没有 actor 可以处理的消息) 的 (dead letter)
2. protoactor-go 是怎样处理跨进程调用的？
3. protoactor-go 是如何处理 userMessage 和 sysMessage 的优先级？