Aktoru modelis: vienlaicīgums un mērogojamība ar Erlang un Akka

Programmatūras izstrādes pasaulē nemainīgs izaicinājums ir veidot lietojumprogrammas, kas spēj tikt galā ar pieaugošām darba slodzēm un darboties efektīvi. Tradicionālās pieejas vienlaicīgumam, piemēram, pavedieni (threads) un slēdži (locks), var ātri kļūt sarežģītas un kļūdainas. Aktoru modelis piedāvā jaudīgu alternatīvu, nodrošinot robustu un elegantu veidu, kā projektēt vienlaicīgas un sadalītas sistēmas. Šis emuāra ieraksts iedziļinās aktoru modelī, pētot tā principus un koncentrējoties uz divām prominentām implementācijām: Erlang un Akka.

Kas ir aktoru modelis?

Aktoru modelis ir matemātisks vienlaicīgas skaitļošanas modelis. Tas uzskata 'aktorus' par skaitļošanas pamatvienībām. Aktori ir neatkarīgas vienības, kas savstarpēji sazinās, izmantojot asinhronu ziņojumu pārsūtīšanu. Šis modelis vienkāršo vienlaicīguma pārvaldību, novēršot nepieciešamību pēc dalītās atmiņas un sarežģītiem sinhronizācijas mehānismiem.

Aktoru modeļa pamatprincipi:

• Aktori: Individuālas, neatkarīgas vienības, kas iekapsulē stāvokli un uzvedību.
• Ziņojumu pārsūtīšana: Aktori sazinās, sūtot un saņemot ziņojumus. Ziņojumi ir nemainīgi (immutable).
• Asinhrona komunikācija: Ziņojumi tiek sūtīti asinhroni, kas nozīmē, ka sūtītājs negaida atbildi. Tas veicina nebloķējošas operācijas un augstu vienlaicīgumu.
• Izolācija: Aktoriem ir savs privātais stāvoklis, un tie ir izolēti viens no otra. Tas novērš datu bojājumus un vienkāršo atkļūdošanu.
• Vienlaicīgums: Modelis pēc būtības atbalsta vienlaicīgumu, jo vairāki aktori var apstrādāt ziņojumus vienlaikus.

Aktoru modelis ir īpaši piemērots sadalītu sistēmu veidošanai, kur komponenti var atrasties uz dažādām mašīnām un sazināties tīklā. Tas nodrošina iebūvētu atbalstu kļūdu tolerancei, jo aktori var uzraudzīt viens otru un atgūties no kļūmēm.

Erlang: aktoru modeļa pionieris

Erlang ir programmēšanas valoda un izpildlaika vide, kas īpaši izstrādāta, lai veidotu augsti vienlaicīgas un kļūdu noturīgas sistēmas. Tā tika izstrādāta Ericsson 1980. gados, lai apmierinātu telekomunikāciju komutatoru prasības, kas pieprasīja ārkārtēju uzticamību un spēju apstrādāt lielu skaitu vienlaicīgu savienojumu.

Erlang galvenās iezīmes:

• Iebūvēts vienlaicīgums: Erlang vienlaicīguma modelis ir balstīts tieši uz aktoru modeli. Valoda ir izstrādāta vienlaicīgai programmēšanai jau no pašiem pamatiem.
• Kļūdu tolerance: Erlang 'ļaujiet tam avarēt' (let it crash) filozofija un uzraudzības koki (supervision trees) padara to īpaši robustu. Procesus var automātiski restartēt, ja tie saskaras ar kļūdām.
• Karstā koda nomaiņa (Hot Code Swapping): Erlang ļauj atjaunināt kodu, nepārtraucot darbojošos sistēmu. Tas ir kritiski svarīgi sistēmām, kurām nepieciešama augsta pieejamība.
• Sadalītība: Erlang ir izstrādāts, lai nevainojami darbotos vairākos mezglos, padarot vieglu sadalītu lietojumprogrammu izveidi.
• OTP (Open Telecom Platform): OTP nodrošina bibliotēku un dizaina principu kopumu, kas vienkāršo sarežģītu Erlang lietojumprogrammu izstrādi. Tas ietver uzraugus (supervisors), stāvokļu mašīnas un citas noderīgas abstrakcijas.

Erlang piemērs: vienkāršs skaitītāja aktors

Apskatīsim vienkāršotu skaitītāja aktora piemēru Erlang valodā. Šis aktors saņems palielināšanas un iegūšanas ziņojumus un uzturēs skaitītāja vērtību.

            -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
              
            
          

Šajā piemērā:

• start() izveido jaunu aktoru (procesu) un inicializē tā stāvokli.
• increment(Pid) nosūta aktoram palielināšanas ziņojumu.
• get(Pid) nosūta aktoram iegūšanas ziņojumu un norāda sūtītāju atbildes saņemšanai.
• loop(Count) ir galvenais cikls, kas apstrādā ienākošos ziņojumus un atjaunina skaitītāju.

Tas ilustrē ziņojumu pārsūtīšanas un stāvokļa pārvaldības pamatkoncepcijas Erlang aktorā.

Erlang izmantošanas priekšrocības:

• Augsts vienlaicīgums: Erlang var apstrādāt milzīgu skaitu vienlaicīgu procesu.
• Kļūdu tolerance: Iebūvēti mehānismi kļūdu apstrādei un atgūšanai no kļūmēm.
• Mērogojamība: Viegli mērogojams vairākos kodolos un mašīnās.
• Uzticamība: Paredzēts sistēmām, kurām nepieciešama augsta pieejamība un darbības laiks.
• Pārbaudīta vēsture: Ražošanā izmanto tādas kompānijas kā Ericsson, WhatsApp (sākotnēji) un daudzas citas, lai apstrādātu ļoti prasīgas darba slodzes.

Erlang izmantošanas izaicinājumi:

• Mācīšanās līkne: Erlang ir atšķirīga sintakse un programmēšanas paradigma salīdzinājumā ar daudzām citām populārām valodām.
• Atkļūdošana: Vienlaicīgu sistēmu atkļūdošana var būt sarežģītāka.
• Bibliotēkas: Lai gan ekosistēma ir nobriedusi, tajā var nebūt tik daudz bibliotēku kā citās valodās.

Akka: aktoru modelis JVM videi

Akka ir rīkkopa un izpildlaika vide, lai veidotu vienlaicīgas, sadalītas un kļūdu noturīgas lietojumprogrammas uz Java virtuālās mašīnas (JVM). Rakstīta Scala un Java valodās, Akka ienes aktoru modeļa spēku Java ekosistēmā, padarot to pieejamu plašākam izstrādātāju lokam.

Akka galvenās iezīmes:

• Uz aktoriem balstīts vienlaicīgums: Akka nodrošina robustu un efektīvu aktoru modeļa implementāciju.
• Asinhrona ziņojumu pārsūtīšana: Aktori sazinās, izmantojot asinhronus ziņojumus, kas nodrošina nebloķējošas operācijas.
• Kļūdu tolerance: Akka nodrošina uzraugus un kļūdu apstrādes stratēģijas, lai pārvaldītu aktoru kļūmes.
• Sadalītas sistēmas: Akka atvieglo sadalītu lietojumprogrammu izveidi vairākos mezglos.
• Noturība (Persistence): Akka Persistence ļauj aktoriem saglabāt savu stāvokli noturīgā krātuvē, nodrošinot datu konsekvenci.
• Plūsmas (Streams): Akka Streams nodrošina reaktīvu straumēšanas ietvaru datu plūsmu apstrādei.
• Iebūvēts testēšanas atbalsts: Akka nodrošina lieliskas testēšanas iespējas, kas atvieglo aktoru uzvedības rakstīšanu un pārbaudi.

Akka piemērs: vienkāršs skaitītāja aktors (Scala)

Šeit ir vienkāršs skaitītāja aktora piemērs, kas rakstīts Scala valodā, izmantojot 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
              
            
          

Šajā piemērā:

• CounterActor definē aktora uzvedību, apstrādājot Increment un Get ziņojumus.
• CounterApp izveido ActorSystem, instancē skaitītāja aktoru un nosūta tam ziņojumus.

Akka izmantošanas priekšrocības:

• Pazīstamība: Būvēts uz JVM, tas ir pieejams Java un Scala izstrādātājiem.
• Liela ekosistēma: Izmanto plašo Java bibliotēku un rīku ekosistēmu.
• Elastība: Atbalsta gan Java, gan Scala valodas.
• Spēcīga kopiena: Aktīva kopiena un plaši pieejami resursi.
• Augsta veiktspēja: Efektīva aktoru modeļa implementācija.
• Testēšana: Lielisks testēšanas atbalsts aktoriem.

Akka izmantošanas izaicinājumi:

• Sarežģītība: Var būt sarežģīti apgūt lielām lietojumprogrammām.
• JVM pieskaitāmās izmaksas: JVM var radīt papildu pieskaitāmās izmaksas salīdzinājumā ar natīvo Erlang.
• Aktoru dizains: Nepieciešams rūpīgs aktoru un to mijiedarbības dizains.

Erlang un Akka salīdzinājums

Gan Erlang, gan Akka piedāvā robustas aktoru modeļa implementācijas. Izvēle starp tām ir atkarīga no projekta prasībām un ierobežojumiem. Šeit ir salīdzinājuma tabula, kas palīdzēs jūsu lēmumā:

Erlang bieži ir labāka izvēle, ja:

• Jums nepieciešama ārkārtēja uzticamība un kļūdu tolerance.
• Jūs veidojat sistēmu, kurā vienlaicīgums ir galvenā prioritāte.
• Jums ir jāapstrādā milzīgs skaits vienlaicīgu savienojumu.
• Jūs sākat projektu no nulles un esat gatavs apgūt jaunu valodu.

Akka bieži ir labāka izvēle, ja:

• Jūs jau esat pazīstams ar Java vai Scala.
• Jūs vēlaties izmantot esošo Java ekosistēmu un bibliotēkas.
• Jūsu projektam ir mazāks uzsvars uz ārkārtēju kļūdu toleranci.
• Jums ir nepieciešams integrēties ar citām Java bāzes sistēmām.

Aktoru modeļa praktiskie pielietojumi

Aktoru modelis tiek izmantots plašā lietojumprogrammu klāstā dažādās nozarēs. Šeit ir daži piemēri:

• Telekomunikāciju sistēmas: Erlang sākotnēji tika izstrādāts telekomunikāciju komutatoriem un joprojām tiek izmantots šajā jomā tā uzticamības un mērogojamības dēļ.
• Tūlītējā ziņapmaiņa: WhatsApp, kas sākotnēji tika veidots, izmantojot Erlang, ir spilgts piemērs tam, kā aktoru modelis var apstrādāt milzīgu skaitu vienlaicīgu lietotāju. (Piezīme: WhatsApp arhitektūra ir attīstījusies.)
• Tiešsaistes spēles: Vairāku spēlētāju tiešsaistes spēles bieži izmanto aktoru modeli, lai pārvaldītu spēles stāvokli, apstrādātu spēlētāju mijiedarbību un mērogotu spēļu serverus.
• Finanšu tirdzniecības sistēmas: Augstfrekvences tirdzniecības platformas izmanto aktoru modeli tā spējai apstrādāt lielu darījumu apjomu reāllaikā.
• IoT ierīces: Komunikācijas apstrāde starp daudzām ierīcēm IoT tīklā.
• Mikropakalpojumi: Aktoru modeļa raksturīgais vienlaicīgums padara to labi piemērotu mikropakalpojumu arhitektūrām.
• Ieteikumu dzinēji: Sistēmu veidošana, kas apstrādā lietotāju datus un sniedz personalizētus ieteikumus.
• Datu apstrādes konveijeri: Lielu datu kopu apstrāde un paralēlu aprēķinu veikšana.

Globāli piemēri:

• WhatsApp (globāli): Sākotnēji veidots, izmantojot Erlang, lai apstrādātu miljardiem ziņojumu.
• Ericsson (Zviedrija): Izmanto Erlang telekomunikāciju aprīkojuma veidošanai.
• Klarna (Zviedrija): Izmanto Akka maksājumu apstrādes sistēmu veidošanai.
• Lightbend (globāli): Uzņēmums, kas ir aiz Akka, nodrošinot pakalpojumus un atbalstu.
• Daudzi citi uzņēmumi (globāli): Izmanto dažādas organizācijas visā pasaulē dažādās nozarēs, sākot no finansēm Londonā un Ņujorkā līdz e-komercijas platformām Āzijā.

Labākās prakses aktoru modeļa implementācijai

Lai efektīvi izmantotu aktoru modeli, apsveriet šīs labākās prakses:

• Projektējiet aktorus vienam mērķim: Katram aktoram jābūt skaidram, labi definētam mērķim. Tas padara tos vieglāk saprotamus, testējamus un uzturamus.
• Nemainīgums (Immutability): Izmantojiet nemainīgus datus savos aktoros, lai izvairītos no vienlaicīguma problēmām.
• Ziņojumu dizains: Rūpīgi projektējiet savus ziņojumus. Tiem jābūt pašpietiekamiem un jāattēlo skaidras darbības vai notikumi. Apsveriet iespēju izmantot noslēgtas klases/iezīmes (sealed classes/traits Scala valodā) vai saskarnes (interfaces Java valodā) ziņojumu definīcijām.
• Kļūdu apstrāde un uzraudzība: Ieviesiet atbilstošas kļūdu apstrādes un uzraudzības stratēģijas, lai pārvaldītu aktoru kļūmes. Definējiet skaidru stratēģiju izņēmumu apstrādei savos aktoros.
• Testēšana: Rakstiet visaptverošus testus, lai pārbaudītu savu aktoru uzvedību. Testējiet ziņojumu mijiedarbību un kļūdu apstrādi.
• Monitorings: Ieviesiet monitoringu un reģistrēšanu, lai sekotu līdzi savu aktoru veiktspējai un veselībai.
• Apsveriet veiktspēju: Esiet uzmanīgs ar ziņojumu izmēriem un ziņojumu pārsūtīšanas biežumu, kas var ietekmēt veiktspēju. Apsveriet iespēju izmantot atbilstošas datu struktūras un ziņojumu serializācijas tehnikas, lai optimizētu veiktspēju.
• Optimizējiet vienlaicīgumam: Projektējiet savu sistēmu, lai pilnībā izmantotu vienlaicīgas apstrādes iespējas. Izvairieties no bloķējošām operācijām aktoros.
• Dokumentējiet: Pareizi dokumentējiet savus aktorus un to mijiedarbību. Tas palīdz saprast, uzturēt un sadarboties projektā.

Noslēgums

Aktoru modelis piedāvā jaudīgu un elegantu pieeju vienlaicīgu un mērogojamu lietojumprogrammu veidošanai. Gan Erlang, gan Akka nodrošina robustas šī modeļa implementācijas, katrai no tām ir savas stiprās un vājās puses. Erlang izceļas ar kļūdu toleranci un vienlaicīgumu, savukārt Akka piedāvā JVM ekosistēmas priekšrocības. Izprotot aktoru modeļa principus un Erlang un Akka iespējas, jūs varat veidot ļoti noturīgas un mērogojamas lietojumprogrammas, lai apmierinātu mūsdienu pasaules prasības. Izvēle starp tām ir atkarīga no jūsu projekta specifiskajām vajadzībām un jūsu komandas esošās pieredzes. Aktoru modelis, neatkarīgi no izvēlētās implementācijas, paver jaunas iespējas augstas veiktspējas un uzticamu programmatūras sistēmu veidošanai. Šo tehnoloģiju pieņemšana ir patiesi globāla parādība, ko izmanto visur, sākot no rosīgajiem finanšu centriem Ņujorkā un Londonā līdz strauji augošajiem tehnoloģiju centriem Indijā un Ķīnā.