Aktorimudel: Samaaegsus ja skaleeritavus Erlangi ja Akka abil

Tarkvaraarenduse maailmas on pidev väljakutse luua rakendusi, mis suudavad toime tulla kasvava töökoormusega ja töötada tõhusalt. Traditsioonilised lähenemised samaaegsusele, nagu lõimed ja lukud, võivad kiiresti muutuda keeruliseks ja vigaderohkeks. Aktorimudel pakub võimsat alternatiivi, pakkudes tugevat ja elegantset viisi samaaegsete ja hajutatud süsteemide loomiseks. See blogipostitus süveneb aktorimudelisse, uurides selle põhimõtteid ja keskendudes kahele silmapaistvale implementatsioonile: Erlangile ja Akkale.

Mis on aktorimudel?

Aktorimudel on samaaegse arvutuse matemaatiline mudel. See käsitleb 'aktoreid' kui arvutuse fundamentaalseid ühikuid. Aktorid on iseseisvad olemid, mis suhtlevad omavahel asünkroonse sõnumiedastuse kaudu. See mudel lihtsustab samaaegsuse haldamist, välistades vajaduse jagatud mälu ja keerukate sünkroniseerimismehhanismide järele.

Aktorimudeli põhiprintsiibid:

• Aktorid: Üksikud, iseseisvad olemid, mis kapseldavad olekut ja käitumist.
• Sõnumiedastus: Aktorid suhtlevad sõnumeid saates ja vastu võttes. Sõnumid on muutumatud.
• Asünkroonne suhtlus: Sõnumid saadetakse asünkroonselt, mis tähendab, et saatja ei oota vastust. See soodustab mitteblokeerivaid operatsioone ja suurt samaaegsust.
• Isolatsioon: Aktoritel on oma privaatne olek ja nad on üksteisest isoleeritud. See hoiab ära andmete rikkumise ja lihtsustab silumist.
• Samaaegsus: Mudel toetab olemuslikult samaaegsust, kuna mitu aktorit saavad sõnumeid samaaegselt töödelda.

Aktorimudel sobib eriti hästi hajutatud süsteemide loomiseks, kus komponendid võivad asuda erinevates masinates ja suhelda üle võrgu. See pakub sisseehitatud tuge tõrketaluvusele, kuna aktorid saavad üksteist jälgida ja tõrgetest taastuda.

Erlang: Aktorimudeli pioneer

Erlang on programmeerimiskeel ja käituskeskkond, mis on spetsiaalselt loodud kõrge samaaegsuse ja tõrketaluvusega süsteemide ehitamiseks. See töötati välja Ericssonis 1980. aastatel, et tulla toime telekommunikatsioonilülitite nõudmistega, mis vajasid äärmist töökindlust ja võimet käsitleda suurt hulka samaaegseid ühendusi.

Erlangi peamised omadused:

• Sisseehitatud samaaegsus: Erlangi samaaegsuse mudel põhineb otse aktorimudelil. Keel on loodud samaaegseks programmeerimiseks algusest peale.
• Tõrketaluvus: Erlangi 'lase sel kokku joosta' filosoofia ja järelevalvepuud muudavad selle erakordselt vastupidavaks. Protsesse saab vigade ilmnemisel automaatselt taaskäivitada.
• Koodi käigult vahetamine: Erlang võimaldab koodi uuendada töötavat süsteemi katkestamata. See on kriitilise tähtsusega süsteemide jaoks, mis nõuavad kõrget kättesaadavust.
• Hajutatus: Erlang on loodud sujuvaks tööks mitme sõlme vahel, mis teeb hajutatud rakenduste loomise lihtsaks.
• OTP (Open Telecom Platform): OTP pakub teekide ja disainipõhimõtete komplekti, mis lihtsustavad keerukate Erlangi rakenduste arendamist. See hõlmab järelevaatajaid, olekumasinaid ja muid kasulikke abstraktsioone.

Erlangi näide: Lihtne loenduri aktor

Vaatleme lihtsustatud näidet loenduriaktorist Erlangis. See aktor võtab vastu suurendamise ja hankimise sõnumeid ning haldab loendurit.

            -module(counter).
-export([start/0, increment/1, get/1]).

start() ->
  spawn(?MODULE, loop, [0]).

increment(Pid) ->
  Pid ! {increment}.

get(Pid) ->
  Pid ! {get, self()}.

loop(Count) ->
  receive
    {increment} ->
      io:format("Incrementing...~n"),
      loop(Count + 1);
    {get, Sender} ->
      Sender ! Count,
      loop(Count)
  end.

            

              
                Copy
              
            
          

Selles näites:

• start() loob uue aktori (protsessi) ja lähtestab selle oleku.
• increment(Pid) saadab aktorile suurendamise sõnumi.
• get(Pid) saadab aktorile hankimise sõnumi ja määrab vastuse saaja.
• loop(Count) on peamine tsükkel, mis tegeleb sissetulevate sõnumitega ja uuendab loendurit.

See illustreerib sõnumiedastuse ja olekuhalduse põhikontseptsioone Erlangi aktoris.

Erlangi kasutamise eelised:

• Kõrge samaaegsus: Erlang suudab käsitleda tohutul hulgal samaaegseid protsesse.
• Tõrketaluvus: Sisseehitatud mehhanismid vigade käsitlemiseks ja tõrgetest taastumiseks.
• Skaleeritavus: Lihtsalt skaleeritav mitme tuuma ja masina vahel.
• Töökindlus: Loodud süsteemidele, mis nõuavad kõrget kättesaadavust ja tööaega.
• Tõestatud kogemus: Kasutavad tootmises sellised ettevõtted nagu Ericsson, WhatsApp (algselt) ja paljud teised väga nõudlike töökoormuste haldamiseks.

Erlangi kasutamise väljakutsed:

• Õppimiskõver: Erlangil on paljudest teistest populaarsetest keeltest erinev süntaks ja programmeerimisparadigma.
• Silumine: Samaaegsete süsteemide silumine võib olla keerulisem.
• Teegid: Kuigi ökosüsteem on küps, ei pruugi sel olla nii palju teeke kui teistel keeltel.

Akka: Aktorimudel JVM-i jaoks

Akka on tööriistakomplekt ja käituskeskkond samaaegsete, hajutatud ja tõrketaluvate rakenduste loomiseks Java virtuaalmasinas (JVM). Scala ja Java keeles kirjutatud Akka toob aktorimudeli võimsuse Java ökosüsteemi, muutes selle kättesaadavaks laiemale arendajate ringile.

Akka peamised omadused:

• Aktoripõhine samaaegsus: Akka pakub tugevat ja tõhusat aktorimudeli implementatsiooni.
• Asünkroonne sõnumiedastus: Aktorid suhtlevad asünkroonsete sõnumite abil, võimaldades mitteblokeerivaid operatsioone.
• Tõrketaluvus: Akka pakub järelevaatajaid ja tõrkekäsitlusstrateegiaid aktori tõrgete haldamiseks.
• Hajussüsteemid: Akka teeb hajutatud rakenduste loomise mitme sõlme vahel lihtsaks.
• Püsivus: Akka Persistence võimaldab aktoreil oma olekut püsivasse salvestusruumi salvestada, tagades andmete järjepidevuse.
• Vood: Akka Streams pakub reaktiivset voogude raamistikku andmevoogude töötlemiseks.
• Sisseehitatud testimise tugi: Akka pakub suurepäraseid testimisvõimalusi, mis teeb aktori käitumise kirjutamise ja kontrollimise lihtsaks.

Akka näide: Lihtne loenduri aktor (Scala)

Siin on lihtne loenduri aktori näide, mis on kirjutatud Scalas, kasutades Akkat:

            
import akka.actor._

object CounterActor {
  case object Increment
  case object Get
  case class  CurrentCount(count: Int)
}

class CounterActor extends Actor {
  import CounterActor._
  var count = 0

  def receive = {
    case Increment =>
      count += 1
      println(s"Count incremented to: $count")
    case Get =>
      sender() ! CurrentCount(count)
  }
}

object CounterApp extends App {
  import CounterActor._
  val system = ActorSystem("CounterSystem")
  val counter = system.actorOf(Props[CounterActor], name = "counter")

  counter ! Increment
  counter ! Increment
  counter ! Get
  counter ! Get
  Thread.sleep(1000)
  system.terminate()
}

            

              
                Copy
              
            
          

Selles näites:

• CounterActor defineerib aktori käitumise, käsitledes Increment ja Get sõnumeid.
• CounterApp loob ActorSystem-i, instantsieerib loenduri aktori ja saadab sellele sõnumeid.

Akka kasutamise eelised:

• Tuttavlikkus: Ehitatud JVM-i peale, on see kättesaadav Java ja Scala arendajatele.
• Suur ökosüsteem: Kasutab ära laia Java teekide ja tööriistade ökosüsteemi.
• Paindlikkus: Toetab nii Java kui ka Scala keelt.
• Tugev kogukond: Aktiivne kogukond ja rohkelt ressursse.
• Kõrge jõudlus: Tõhus aktorimudeli implementatsioon.
• Testimine: Suurepärane testimise tugi aktoritele.

Akka kasutamise väljakutsed:

• Keerukus: Suurte rakenduste puhul võib selle valdamine olla keeruline.
• JVM-i üldkulu: JVM võib lisada üldkulu võrreldes natiivse Erlangiga.
• Aktori disain: Nõuab hoolikat aktorite ja nende interaktsioonide disaini.

Erlangi ja Akka võrdlus

Nii Erlang kui ka Akka pakuvad tugevaid aktorimudeli implementatsioone. Nende vahel valimine sõltub projekti nõuetest ja piirangutest. Siin on võrdlustabel, mis aitab teil otsust langetada:

Erlang on sageli parem valik, kui:

• Vajate äärmist töökindlust ja tõrketaluvust.
• Ehitate süsteemi, kus samaaegsus on peamine murekoht.
• Peate käsitlema tohutut hulka samaaegseid ühendusi.
• Alustate projekti nullist ja olete avatud uue keele õppimisele.

Akka on sageli parem valik, kui:

• Olete juba tuttav Java või Scalaga.
• Soovite ära kasutada olemasolevat Java ökosüsteemi ja teeke.
• Teie projekt nõuab vähem rõhku äärmisele tõrketaluvusele.
• Peate integreeruma teiste Javapõhiste süsteemidega.

Aktorimudeli praktilised rakendused

Aktorimudelit kasutatakse paljudes rakendustes erinevates tööstusharudes. Siin on mõned näited:

• Telekommunikatsioonisüsteemid: Erlang loodi algselt telekommunikatsioonilülitite jaoks ja seda kasutatakse selles valdkonnas jätkuvalt tänu oma töökindlusele ja skaleeritavusele.
• Kiirsõnumid: WhatsApp, mis algselt ehitati Erlangi abil, on peamine näide sellest, kuidas aktorimudel suudab toime tulla tohutu hulga samaaegsete kasutajatega. (Märkus: WhatsAppi arhitektuur on arenenud.)
• Online-mängud: Mitme mängijaga online-mängud kasutavad sageli aktorimudelit mängu oleku haldamiseks, mängijate interaktsioonide käsitlemiseks ja mänguserverite skaleerimiseks.
• Finantskauplemissüsteemid: Kõrgsagedusliku kauplemise platvormid kasutavad aktorimudelit selle võime tõttu töödelda reaalajas suurt hulka tehinguid.
• Asjade interneti (IoT) seadmed: Paljude seadmete vahelise suhtluse haldamine IoT-võrgus.
• Mikroteenused: Aktorimudeli olemuslik samaaegsus muudab selle sobivaks mikroteenuste arhitektuuridele.
• Soovitusmootorid: Süsteemide ehitamine, mis töötlevad kasutajaandmeid ja pakuvad isikupärastatud soovitusi.
• Andmetöötluse konveierid: Suurte andmekogumite käsitlemine ja paralleelarvutuste teostamine.

Ülemaailmsed näited:

• WhatsApp (ülemaailmne): Algselt ehitatud Erlangi abil, et käsitleda miljardeid sõnumeid.
• Ericsson (Rootsi): Kasutab Erlangit telekommunikatsiooniseadmete ehitamiseks.
• Klarna (Rootsi): Kasutab Akkat maksetöötlussüsteemide ehitamiseks.
• Lightbend (ülemaailmne): Akka taga olev ettevõte, mis pakub teenuseid ja tuge.
• Paljud teised ettevõtted (ülemaailmsed): Kasutavad erinevad organisatsioonid üle maailma erinevates sektorites, alates Londoni ja New Yorgi finantssektorist kuni Aasia e-kaubanduse platvormideni.

Aktorimudeli rakendamise parimad tavad

Aktorimudeli tõhusaks kasutamiseks kaaluge neid parimaid tavasid:

• Disainige aktorid ühele vastutusele: Igal aktoril peaks olema selge, hästi määratletud eesmärk. See muudab nad lihtsamini mõistetavaks, testitavaks ja hooldatavaks.
• Muutmatus: Kasutage oma aktorites muutumatuid andmeid, et vältida samaaegsusprobleeme.
• Sõnumite disain: Disainige oma sõnumid hoolikalt. Need peaksid olema iseseisvad ja esindama selgeid tegevusi või sündmusi. Kaaluge suletud klasside/tunnuste (Scala) või liideste (Java) kasutamist sõnumite defineerimiseks.
• Tõrkekäsitlus ja järelevalve: Rakendage sobivaid tõrkekäsitluse ja järelevalve strateegiaid aktori tõrgete haldamiseks. Määratlege selge strateegia erandite käsitlemiseks oma aktorites.
• Testimine: Kirjutage põhjalikke teste oma aktorite käitumise kontrollimiseks. Testige sõnumite interaktsioone ja tõrkekäsitlust.
• Monitooring: Rakendage monitooringut ja logimist, et jälgida oma aktorite jõudlust ja tervist.
• Kaaluge jõudlust: Olge teadlik sõnumite suurusest ja sõnumiedastuse sagedusest, mis võivad jõudlust mõjutada. Kaaluge sobivate andmestruktuuride ja sõnumite serialiseerimistehnikate kasutamist jõudluse optimeerimiseks.
• Optimeerige samaaegsuseks: Disainige oma süsteem nii, et see kasutaks täielikult ära samaaegse töötlemise võimalusi. Vältige blokeerivaid operatsioone aktorites.
• Dokumenteerige: Dokumenteerige oma aktorid ja nende interaktsioonid korralikult. See aitab projekti mõista, hooldada ja selle kallal koostööd teha.

Kokkuvõte

Aktorimudel pakub võimsat ja elegantset lähenemist samaaegsete ja skaleeritavate rakenduste loomiseks. Nii Erlang kui ka Akka pakuvad selle mudeli tugevaid implementatsioone, kummalgi on oma tugevused ja nõrkused. Erlang paistab silma tõrketaluvuse ja samaaegsuse poolest, samas kui Akka pakub JVM-i ökosüsteemi eeliseid. Mõistes aktorimudeli põhimõtteid ning Erlangi ja Akka võimekust, saate ehitada väga vastupidavaid ja skaleeritavaid rakendusi, mis vastavad tänapäeva maailma nõudmistele. Valik nende vahel sõltub teie projekti konkreetsetest vajadustest ja teie meeskonna olemasolevast ekspertiisist. Aktorimudel, olenemata valitud implementatsioonist, avab uusi võimalusi suure jõudlusega ja töökindlate tarkvarasüsteemide ehitamiseks. Nende tehnoloogiate kasutuselevõtt on tõeliselt ülemaailmne nähtus, mida kasutatakse kõikjal alates New Yorgi ja Londoni elavatest finantskeskustest kuni India ja Hiina kiiresti laienevate tehnoloogiakeskusteni.