基于消息传递的并发模型

An object oriented language is a language with good support for objects. A concurrency oriented language has good support for concurrency. --Joe Armstrong

两类通用并发模型：参考七周七并发模型

• 共享内存型Shared Memory
  • 线程Threads
  • 锁Locks
  • 互斥l量Mutexes
• 消息传送型（CSP和Actor模型）
  • 进程Processes
  • 消息Messages
  • 不共享数据(状态)No shared data

重点介绍消息传送型的两种模型Actor和CSP（Communicating Sequential Process）的各项对比

主要目的：除了常用的Python、Java等用的并发模型之外，还存在这么个东西

先看两段代码

代码示例对比

使用Erlang代码和Go代码分别实现打印服务print_server，用来对比模型使用差异

Actor模型-Erlang代码

%%%-------------------------------------------------------------------
%%% @author Suncle
%%% @doc
%%% print_server
%%% @end
%%% Created : 2017/12/18 14:53
%%%-------------------------------------------------------------------
-module(print_server).
-author("Flowsnow").

%% API
-export([print_server/0, start_print_server/0, send_msg/2]).


print_server() ->
  receive
    Msg ->
      io:format("print_server received msg: ~p~n", [Msg]),
      print_server()
  end.

start_print_server() ->
  Pid = spawn(?MODULE, print_server, []),
  Pid.

send_msg(Msg, Pid) ->
  Pid ! Msg,
  io:format("send_normal_msg: ~p~n", [Msg]).

Erlang shell输出结果如下：

1> c("print_server.erl").
{ok,print_server}
2> Pid = print_server:start_print_server().
<0.39.0>
3> print_server:send_msg("hello", Pid).
send_normal_msg: "hello"
print_server received msg: "hello"
ok

以上print_server使用的是最原始的Erlang语法实现的，也可以使用OTP gen_server原语实现更加清晰易懂

CSP模型-Go代码

print函数从channel读取消息并阻塞，直到主函数向channel写入hello消息

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	c := make(chan string)
	go print(c)
	time.Sleep(1 * time.Second)
	fmt.Println("main function: start writing msg")
	c <- "hello"

	var input string
	fmt.Scanln(&input)
}

func print(c <-chan string) {
	fmt.Println("print function: start reading")
	fmt.Println("print function: reading: " + <-c)
	time.Sleep(1 * time.Second)
}

输出结果如下：

D:\workspace\Go>go run print_server.go
print function: start reading
main function: start writing msg
print function: reading: hello

模型图对比

Actor

Actor1发送消息到Actor2的邮箱中，邮箱本质是队列，由Actor2消费

CSP

Process1在Channel的写入端添加消息，Process2在channel的读取端读取消息

基本特性对比

Actor

1. 基于消息传递message-passing
2. 消息和信箱机制：消息异步发送
3. 保留可变状态但不共享
4. 失败检测和任其崩溃
5. 重点在于发送消息时的实体

CSP

1. 基于消息传递message-passing
2. 顺序进程Sequential processes
3. 通过channel同步通信Synchronous communication through channels
4. 频道交替复用Multiplexing of channels with alternation
5. 重点在于发送消息时使用的通道channel

通信语义对比

Actor

Actor1等待消息并阻塞，直到Actor2发送消息给Actor1 Actor2发送消息给Actor3，暂存在Actor3的Mailbox中，直到Actor3接受并处理

CSP

Process1读取channel因没有消息阻塞，直到Process2向该channel添加消息 process2向channel添加消息并阻塞，直到Process3读取该channel消息

Erlang实现简易银行账户

使用Erlang原语，代码如下：

• https://gist.github.com/Flowsnow/5da4565718bb6c3ec3f0a79cfedf0b00

使用OTP的gen_server，代码如下：

• https://gist.github.com/Flowsnow/18a580313ac0b7ea54e5eddd9e2b2265

Erlang小项目：IP数据库

使用Erlang/OTP实现的IP数据库，可以根据IP查询到具体的国家省份等，代码如下：

• https://github.com/Flowsnow/ip_db

不一样的Erlang特性

1. Let it crash思想：值得借鉴

• https://www.zhihu.com/question/21325941/answer/173370966

比如：执行算术异常崩溃

1. 变量是不可变的，变量一旦赋予值就无法再改变：带来的好处就是没有可变状态，就不需要内存共享，也就不需要有锁
2. Erlang进程之间的唯一交互方式就是消息传递：Erlang中没有像C++那样，进程间拥有多种不同的交互方式（管道、消息队列、存储共享等等）。

FAQ

为什么没有容量自动增大的缓冲区？

即使现在有一个看上去永不枯竭的资源，总有一天这个资源还是会被用尽的。可能是因为时过境迁，当初的老程序现在需要解决更大规模的问题；也可能是存在一个bug，消息没有被及时处理，导致被堆积。如果没有思考缓冲区塞满时的对策，那么在未来的某个时间就有可能出现一个破坏性极强，隐蔽性极深且难以诊断的bug。最好的策略是在现在就思考如何处理缓存区被塞满的情况，将问题消灭在萌芽阶段。 因此常用的缓存区类型有三种：阻塞型(blocking)，弃用新值型(dropping)，移出旧值型(sliding)

Python有什么消息传递并发模型？

Actor模型pykka：https://github.com/jodal/pykka CSP模型pycsp：https://github.com/runefriborg/pycsp/wiki/Getting_Started_With_PyCSP

图片均来源于here！

参考：

• Communicating Sequential Processes (CSP)-An alternative to the actor model
• Concurrency Oriented Programming In Erlang-Joe Armstrong.pdf