Aktorių modelis: Konkurentiškumas ir mastelio keitimas su Erlang ir Akka

Programinės įrangos kūrimo pasaulyje nuolatinis iššūkis yra kurti programas, kurios galėtų susidoroti su didėjančiomis darbo apkrovomis ir veiktų efektyviai. Tradiciniai konkurentiškumo metodai, tokie kaip gijos ir užraktai, gali greitai tapti sudėtingi ir linkę į klaidas. Aktorių modelis siūlo galingą alternatyvą, suteikiančią patikimą ir elegantišką būdą projektuoti konkurentiškas ir paskirstytąsias sistemas. Šiame tinklaraščio įraše gilinamasi į Aktorių modelį, nagrinėjami jo principai ir daugiausia dėmesio skiriama dviem žymiems jo įgyvendinimams: Erlang ir Akka.

Kas yra Aktorių modelis?

Aktorių modelis yra matematinis konkurentiškų skaičiavimų modelis. Jame „aktoriai“ laikomi pagrindiniais skaičiavimo vienetais. Aktoriai yra nepriklausomi subjektai, kurie bendrauja tarpusavyje per asinchroninį pranešimų perdavimą. Šis modelis supaprastina konkurentiškumo valdymą, nes pašalina bendros atminties ir sudėtingų sinchronizavimo mechanizmų poreikį.

Pagrindiniai Aktorių modelio principai:

• Aktoriai: Individualūs, nepriklausomi subjektai, kurie apgaubia būseną ir elgseną.
• Pranešimų perdavimas: Aktoriai bendrauja siųsdami ir gaudami pranešimus. Pranešimai yra nekintami (immutable).
• Asinchroninis ryšys: Pranešimai siunčiami asinchroniškai, o tai reiškia, kad siuntėjas nelaukia atsakymo. Tai skatina neblokuojančias operacijas ir aukštą konkurentiškumą.
• Izoliacija: Aktoriai turi savo privačią būseną ir yra izoliuoti vienas nuo kito. Tai apsaugo nuo duomenų sugadinimo ir supaprastina derinimą.
• Konkurentiškumas: Modelis iš prigimties palaiko konkurentiškumą, nes keli aktoriai gali apdoroti pranešimus vienu metu.

Aktorių modelis ypač tinka kuriant paskirstytąsias sistemas, kuriose komponentai gali būti skirtingose mašinose ir bendrauti per tinklą. Jis suteikia integruotą atsparumo gedimams palaikymą, nes aktoriai gali stebėti vieni kitus ir atsigauti po gedimų.

Erlang: Aktorių modelio pradininkas

Erlang yra programavimo kalba ir vykdymo aplinka, specialiai sukurta itin konkurentiškoms ir gedimams atsparioms sistemoms kurti. Ji buvo sukurta „Ericsson“ devintajame dešimtmetyje, siekiant patenkinti telekomunikacijų komutatorių poreikius, kuriems reikėjo ypatingo patikimumo ir galimybės aptarnauti daugybę vienu metu vykstančių prisijungimų.

Pagrindinės Erlang savybės:

• Integruotas konkurentiškumas: Erlang konkurentiškumo modelis yra tiesiogiai pagrįstas Aktorių modeliu. Kalba nuo pat pradžių sukurta konkurentiškam programavimui.
• Atsparumas gedimams: Erlang „leisk jam sugesti“ (let it crash) filosofija ir priežiūros medžiai (supervision trees) daro jį ypač patikimą. Procesai gali būti automatiškai paleisti iš naujo, jei įvyksta klaidų.
• Kodo keitimas „karštuoju“ būdu (Hot Code Swapping): Erlang leidžia atnaujinti kodą nenutraukiant veikiančios sistemos. Tai yra kritiškai svarbu sistemoms, kurioms reikalingas didelis pasiekiamumas.
• Paskirstymas: Erlang sukurta taip, kad sklandžiai veiktų keliuose mazguose, todėl lengva kurti paskirstytąsias programas.
• OTP (Open Telecom Platform): OTP suteikia bibliotekų ir projektavimo principų rinkinį, kuris supaprastina sudėtingų Erlang programų kūrimą. Ji apima prižiūrėtojus (supervisors), būsenų mašinas ir kitas naudingas abstrakcijas.

Erlang pavyzdys: Paprastas skaitiklio aktorius

Panagrinėkime supaprastintą skaitiklio aktoriaus pavyzdį Erlang kalba. Šis aktorius gaus didinimo (increment) ir gavimo (get) pranešimus ir palaikys skaitiklį.

            -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
              
            
          

Šiame pavyzdyje:

• start() sukuria naują aktorių (procesą) ir inicializuoja jo būseną.
• increment(Pid) siunčia aktoriui didinimo pranešimą.
• get(Pid) siunčia aktoriui gavimo pranešimą ir nurodo siuntėją atsakymui gauti.
• loop(Count) yra pagrindinis ciklas, apdorojantis gaunamus pranešimus ir atnaujinantis skaitiklį.

Tai iliustruoja pagrindines pranešimų perdavimo ir būsenos valdymo koncepcijas Erlang aktoriuje.

Erlang naudojimo privalumai:

• Didelis konkurentiškumas: Erlang gali valdyti milžinišką skaičių konkurentiškų procesų.
• Atsparumas gedimams: Integruoti mechanizmai klaidoms tvarkyti ir atsigauti po gedimų.
• Mastelio keitimas: Lengvai keičia mastelį per kelis branduolius ir mašinas.
• Patikimumas: Sukurta sistemoms, kurioms reikalingas didelis pasiekiamumas ir veikimo laikas.
• Įrodytas patikimumas: Naudojamas tokių kompanijų kaip „Ericsson“, „WhatsApp“ (iš pradžių) ir daugelio kitų gamyboje, siekiant susidoroti su labai didelėmis apkrovomis.

Erlang naudojimo iššūkiai:

• Mokymosi kreivė: Erlang sintaksė ir programavimo paradigma skiriasi nuo daugelio kitų populiarių kalbų.
• Derinimas: Konkurentiškų sistemų derinimas gali būti sudėtingesnis.
• Bibliotekos: Nors ekosistema yra brandi, ji gali neturėti tiek daug bibliotekų kaip kitos kalbos.

Akka: Aktorių modelis JVM aplinkai

Akka yra įrankių rinkinys ir vykdymo aplinka, skirta kurti konkurentiškas, paskirstytąsias ir gedimams atsparias programas Java virtualiojoje mašinoje (JVM). Parašyta Scala ir Java kalbomis, Akka atneša Aktorių modelio galią į Java ekosistemą, todėl ji tampa prieinama platesniam kūrėjų ratui.

Pagrindinės Akka savybės:

• Konkurentiškumas, pagrįstas aktoriais: Akka suteikia patikimą ir efektyvų Aktorių modelio įgyvendinimą.
• Asinchroninis pranešimų perdavimas: Aktoriai bendrauja naudodami asinchroninius pranešimus, kurie įgalina neblokuojančias operacijas.
• Atsparumas gedimams: Akka suteikia prižiūrėtojus (supervisors) ir gedimų tvarkymo strategijas aktorių gedimams valdyti.
• Paskirstytosios sistemos: Akka leidžia lengvai kurti paskirstytąsias programas per kelis mazgus.
• Išliekamumas (Persistence): Akka Persistence leidžia aktoriams išsaugoti savo būseną patvarioje saugykloje, užtikrinant duomenų nuoseklumą.
• Srautai (Streams): Akka Streams suteikia reaktyviųjų srautų karkasą duomenų srautams apdoroti.
• Integruotas testavimo palaikymas: Akka suteikia puikias testavimo galimybes, leidžiančias lengvai rašyti ir tikrinti aktorių elgseną.

Akka pavyzdys: Paprastas skaitiklio aktorius (Scala)

Štai paprastas skaitiklio aktoriaus pavyzdys, parašytas Scala kalba naudojant Akka:

            
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
              
            
          

Šiame pavyzdyje:

• CounterActor apibrėžia aktoriaus elgseną, apdorodamas Increment ir Get pranešimus.
• CounterApp sukuria ActorSystem, sukuria skaitiklio aktoriaus egzempliorių ir siunčia jam pranešimus.

Akka naudojimo privalumai:

• Žinomumas: Sukurta JVM aplinkoje, ji yra prieinama Java ir Scala kūrėjams.
• Didelė ekosistema: Išnaudoja didžiulę Java bibliotekų ir įrankių ekosistemą.
• Lankstumas: Palaiko tiek Java, tiek Scala kalbas.
• Stipri bendruomenė: Aktyvi bendruomenė ir gausūs ištekliai.
• Didelis našumas: Efektyvus Aktorių modelio įgyvendinimas.
• Testavimas: Puikus testavimo palaikymas aktoriams.

Akka naudojimo iššūkiai:

• Sudėtingumas: Gali būti sudėtinga įvaldyti didelėms programoms.
• JVM pridėtinės išlaidos: JVM gali pridėti pridėtinių išlaidų, palyginti su natyvia Erlang aplinka.
• Aktorių projektavimas: Reikalingas kruopštus aktorių ir jų sąveikų projektavimas.

Erlang ir Akka palyginimas

Tiek Erlang, tiek Akka siūlo patikimus Aktorių modelio įgyvendinimus. Pasirinkimas tarp jų priklauso nuo projekto reikalavimų ir apribojimų. Štai palyginimo lentelė, padėsianti jums apsispręsti:

Erlang dažnai yra geresnis pasirinkimas, jei:

• Jums reikia ypatingo patikimumo ir atsparumo gedimams.
• Kuriate sistemą, kurioje konkurentiškumas yra pagrindinis prioritetas.
• Jums reikia aptarnauti didžiulį skaičių vienu metu vykstančių prisijungimų.
• Pradedate projektą nuo nulio ir esate pasirengę mokytis naujos kalbos.

Akka dažnai yra geresnis pasirinkimas, jei:

• Jau esate susipažinę su Java ar Scala.
• Norite išnaudoti esamą Java ekosistemą ir bibliotekas.
• Jūsų projektui nereikia ypatingo dėmesio atsparumui gedimams.
• Jums reikia integruotis su kitomis Java pagrindu veikiančiomis sistemomis.

Praktinis Aktorių modelio taikymas

Aktorių modelis naudojamas įvairiose programose skirtingose pramonės šakose. Štai keletas pavyzdžių:

• Telekomunikacijų sistemos: Erlang iš pradžių buvo sukurtas telekomunikacijų komutatoriams ir toliau naudojamas šioje srityje dėl savo patikimumo ir mastelio keitimo galimybių.
• Momentiniai pranešimai: „WhatsApp“, kuri iš pradžių buvo sukurta naudojant Erlang, yra puikus pavyzdys, kaip Aktorių modelis gali aptarnauti didžiulį skaičių vienu metu prisijungusių vartotojų. (Pastaba: „WhatsApp“ architektūra evoliucionavo.)
• Internetiniai žaidimai: Daugelio žaidėjų internetiniai žaidimai dažnai naudoja Aktorių modelį žaidimo būsenai valdyti, žaidėjų sąveikoms tvarkyti ir žaidimų serverių masteliui keisti.
• Finansinės prekybos sistemos: Aukšto dažnio prekybos platformos naudoja Aktorių modelį dėl jo gebėjimo apdoroti didelį kiekį operacijų realiuoju laiku.
• Daiktų interneto (IoT) įrenginiai: Ryšio tarp daugybės įrenginių IoT tinkle valdymas.
• Mikropaslaugos (Microservices): Dėl Aktorių modeliui būdingo konkurentiškumo jis puikiai tinka mikropaslaugų architektūroms.
• Rekomendacijų sistemos: Sistemų, kurios apdoroja vartotojų duomenis ir teikia personalizuotas rekomendacijas, kūrimas.
• Duomenų apdorojimo konvejeriai: Didelių duomenų rinkinių tvarkymas ir lygiagrečių skaičiavimų atlikimas.

Pasauliniai pavyzdžiai:

• WhatsApp (pasaulinė): Iš pradžių sukurta naudojant Erlang, kad apdorotų milijardus pranešimų.
• Ericsson (Švedija): Naudoja Erlang telekomunikacijų įrangai kurti.
• Klarna (Švedija): Naudoja Akka mokėjimų apdorojimo sistemoms kurti.
• Lightbend (pasaulinė): Kompanija, stovinti už Akka, teikianti paslaugas ir palaikymą.
• Daugelis kitų kompanijų (pasaulinės): Naudojama įvairių organizacijų visame pasaulyje skirtinguose sektoriuose, nuo finansų Londone ir Niujorke iki el. prekybos platformų Azijoje.

Geriausios praktikos diegiant Aktorių modelį

Norėdami efektyviai naudoti Aktorių modelį, atsižvelkite į šias geriausias praktikas:

• Projektuokite aktorius vienai atsakomybei: Kiekvienas aktorius turėtų turėti aiškų, gerai apibrėžtą tikslą. Tai palengvina jų supratimą, testavimą ir priežiūrą.
• Nekintamumas (Immutability): Naudokite nekintamus duomenis savo aktoriuose, kad išvengtumėte konkurentiškumo problemų.
• Pranešimų projektavimas: Kruopščiai projektuokite savo pranešimus. Jie turėtų būti savarankiški ir atspindėti aiškius veiksmus ar įvykius. Apsvarstykite galimybę naudoti uždaras klases/bruožus (sealed classes/traits) (Scala) arba sąsajas (interfaces) (Java) pranešimų apibrėžimams.
• Klaidų tvarkymas ir priežiūra: Įdiekite tinkamas klaidų tvarkymo ir priežiūros strategijas aktorių gedimams valdyti. Apibrėžkite aiškią strategiją, kaip elgtis su išimtimis savo aktoriuose.
• Testavimas: Rašykite išsamius testus, kad patikrintumėte savo aktorių elgseną. Testuokite pranešimų sąveikas ir klaidų tvarkymą.
• Stebėjimas: Įdiekite stebėjimą ir registravimą, kad sektumėte savo aktorių našumą ir būklę.
• Atsižvelkite į našumą: Atkreipkite dėmesį į pranešimų dydžius ir pranešimų perdavimo dažnį, kurie gali turėti įtakos našumui. Apsvarstykite galimybę naudoti tinkamas duomenų struktūras ir pranešimų serializavimo technikas našumui optimizuoti.
• Optimizuokite konkurentiškumui: Projektuokite savo sistemą taip, kad ji visiškai išnaudotų konkurentiško apdorojimo galimybes. Venkite blokuojančių operacijų aktoriuose.
• Dokumentuokite: Tinkamai dokumentuokite savo aktorius ir jų sąveikas. Tai padeda suprasti, prižiūrėti ir bendradarbiauti vykdant projektą.

Išvada

Aktorių modelis siūlo galingą ir elegantišką požiūrį į konkurentiškų ir mastelį keičiančių programų kūrimą. Tiek Erlang, tiek Akka pateikia patikimus šio modelio įgyvendinimus, kurių kiekvienas turi savo stipriąsias ir silpnąsias puses. Erlang pasižymi atsparumu gedimams ir konkurentiškumu, o Akka siūlo JVM ekosistemos privalumus. Suprasdami Aktorių modelio principus ir Erlang bei Akka galimybes, galite kurti itin atsparias ir mastelį keičiančias programas, atitinkančias šiuolaikinio pasaulio reikalavimus. Pasirinkimas tarp jų priklauso nuo konkrečių jūsų projekto poreikių ir jūsų komandos turimos patirties. Aktorių modelis, nepriklausomai nuo pasirinkto įgyvendinimo, atveria naujas galimybes kurti didelio našumo ir patikimas programinės įrangos sistemas. Šių technologijų pritaikymas yra tikrai pasaulinis reiškinys, naudojamas visur – nuo triukšmingų Niujorko ir Londono finansų centrų iki sparčiai augančių technologijų centrų Indijoje ir Kinijoje.