Aktor Modeli: Erlang va Akka yordamida parallellik va masshtablanuvchanlik

Dasturiy ta'minot ishlab chiqish olamida ortib borayotgan yuklamalarni bajara oladigan va samarali ishlaydigan ilovalarni yaratish doimiy qiyinchilik tug'diradi. Parallellikning an'anaviy yondashuvlari, masalan, oqimlar (threads) va blokirovkalar (locks), tezda murakkablashib, xatolarga moyil bo'lib qolishi mumkin. Aktor Modeli kuchli muqobilni taklif etadi, bu parallel va taqsimlangan tizimlarni loyihalashning mustahkam va nafis usulini ta'minlaydi. Ushbu blog posti Aktor Modeliga chuqur kirib boradi, uning tamoyillarini o'rganadi va ikkita mashhur implementatsiyaga e'tibor qaratadi: Erlang va Akka.

Aktor Modeli nima?

Aktor Modeli — bu parallel hisoblashning matematik modelidir. U 'aktorlar'ni hisoblashning asosiy birliklari sifatida ko'rib chiqadi. Aktorlar bir-biri bilan asinxron xabar almashish orqali aloqa qiladigan mustaqil birliklardir. Ushbu model umumiy xotira va murakkab sinxronizatsiya mexanizmlariga bo'lgan ehtiyojni bartaraf etish orqali parallellikni boshqarishni soddalashtiradi.

Aktor Modelining asosiy tamoyillari:

• Aktorlar: Holat va xatti-harakatni o'zida mujassam etgan alohida, mustaqil birliklar.
• Xabar almashish: Aktorlar bir-biri bilan xabar yuborish va qabul qilish orqali aloqa qiladi. Xabarlar o'zgarmasdir.
• Asinxron aloqa: Xabarlar asinxron tarzda yuboriladi, ya'ni yuboruvchi javobni kutmaydi. Bu bloklanmaydigan operatsiyalarni va yuqori parallellikni ta'minlaydi.
• Izolyatsiya: Aktorlar o'zlarining shaxsiy holatiga ega va bir-biridan ajratilgan. Bu ma'lumotlarning buzilishini oldini oladi va disk raskadrovkani soddalashtiradi.
• Parallellik: Model o'z-o'zidan parallellikni qo'llab-quvvatlaydi, chunki bir nechta aktor bir vaqtning o'zida xabarlarni qayta ishlashi mumkin.

Aktor Modeli, ayniqsa, komponentlar turli mashinalarda joylashishi va tarmoq orqali aloqa qilishi mumkin bo'lgan taqsimlangan tizimlarni qurish uchun juda mos keladi. U nosozliklarga chidamlilik uchun o'rnatilgan qo'llab-quvvatlashni ta'minlaydi, chunki aktorlar bir-birini kuzatishi va nosozliklardan tiklanishi mumkin.

Erlang: Aktor Modelining kashshofi

Erlang — bu yuqori darajada parallel va nosozliklarga chidamli tizimlarni yaratish uchun maxsus ishlab chiqilgan dasturlash tili va ishga tushirish muhiti. U 1980-yillarda Ericsson kompaniyasida telekommunikatsiya kommutatorlarining talablarini qondirish uchun ishlab chiqilgan bo'lib, bu kommutatorlar o'ta ishonchlilikni va ko'p sonli parallel ulanishlarni boshqarish qobiliyatini talab qilgan.

Erlang'ning asosiy xususiyatlari:

• O'rnatilgan parallellik: Erlang'ning parallellik modeli to'g'ridan-to'g'ri Aktor Modeliga asoslangan. Til boshidanoq parallel dasturlash uchun mo'ljallangan.
• Nosozliklarga chidamlilik: Erlang'ning 'let it crash' ('qo'y, ishdan chiqsin') falsafasi va nazorat daraxtlari (supervision trees) uni favqulodda mustahkam qiladi. Jarayonlar xatoliklarga duch kelganda avtomatik ravishda qayta ishga tushirilishi mumkin.
• Ishlayotgan tizimda kodni almashtirish (Hot Code Swapping): Erlang ishlayotgan tizimni to'xtatmasdan kodni yangilashga imkon beradi. Bu yuqori darajadagi uzluksiz ishlashni talab qiladigan tizimlar uchun juda muhimdir.
• Taqsimlanish: Erlang bir nechta tugunlar (nodes) bo'ylab muammosiz ishlash uchun mo'ljallangan, bu esa taqsimlangan ilovalarni yaratishni osonlashtiradi.
• OTP (Open Telecom Platform): OTP murakkab Erlang ilovalarini ishlab chiqishni soddalashtiradigan kutubxonalar va dizayn tamoyillari to'plamini taqdim etadi. U nazoratchilar (supervisors), holat mashinalari (state machines) va boshqa foydali abstraksiyalarni o'z ichiga oladi.

Erlang misoli: Oddiy hisoblagich aktori

Keling, Erlang'da oddiy hisoblagich aktorining soddalashtirilgan misolini ko'rib chiqaylik. Ushbu aktor 'increment' (oshirish) va 'get' (olish) xabarlarini qabul qiladi va hisobni saqlaydi.

            -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
              
            
          

Ushbu misolda:

• start() yangi aktor (jarayon) yaratadi va uning holatini ishga tushiradi.
• increment(Pid) aktorga 'increment' xabarini yuboradi.
• get(Pid) aktorga 'get' xabarini yuboradi va javob uchun jo'natuvchini belgilaydi.
• loop(Count) asosiy sikl bo'lib, kelayotgan xabarlarni qayta ishlaydi va hisobni yangilaydi.

Bu Erlang aktoridagi xabar almashish va holatni boshqarishning asosiy tushunchalarini ko'rsatadi.

Erlang'dan foydalanishning afzalliklari:

• Yuqori parallellik: Erlang juda ko'p sonli parallel jarayonlarni bajara oladi.
• Nosozliklarga chidamlilik: Xatolarni qayta ishlash va nosozliklardan tiklanish uchun o'rnatilgan mexanizmlar.
• Masshtablanuvchanlik: Bir nechta yadrolar va mashinalar bo'ylab osongina masshtablanadi.
• Ishonchlilik: Yuqori darajadagi uzluksiz ishlashni va ish vaqtini talab qiladigan tizimlar uchun mo'ljallangan.
• Tasdiqlangan tajriba: Ericsson, WhatsApp (dastlab) kabi kompaniyalar tomonidan va boshqa ko'plab kompaniyalar tomonidan juda talabchan yuklamalarni bajarish uchun ishlab chiqarishda qo'llanilgan.

Erlang'dan foydalanishdagi qiyinchiliklar:

• O'rganish egri chizig'i: Erlang boshqa ko'plab mashhur tillardan farqli sintaksis va dasturlash paradigmasiga ega.
• Disk raskadrovka: Parallel tizimlarni disk raskadrovka qilish murakkabroq bo'lishi mumkin.
• Kutubxonalar: Ekosistema yetuk bo'lsa-da, u boshqa tillardagi kabi ko'p kutubxonalarga ega bo'lmasligi mumkin.

Akka: JVM uchun Aktor Modeli

Akka — bu Java Virtual Machine (JVM) da parallel, taqsimlangan va nosozliklarga chidamli ilovalarni yaratish uchun mo'ljallangan vositalar to'plami va ishga tushirish muhiti. Scala va Java'da yozilgan Akka Aktor Modelining kuchini Java ekosistemasiga olib keladi va uni kengroq dasturchilar doirasiga ochiq qiladi.

Akka'ning asosiy xususiyatlari:

• Aktorga asoslangan parallellik: Akka Aktor Modelining mustahkam va samarali implementatsiyasini ta'minlaydi.
• Asinxron xabar almashish: Aktorlar asinxron xabarlar yordamida aloqa qiladi, bu esa bloklanmaydigan operatsiyalarni amalga oshirishga imkon beradi.
• Nosozliklarga chidamlilik: Akka aktor nosozliklarini boshqarish uchun nazoratchilar va nosozliklarni bartaraf etish strategiyalarini taqdim etadi.
• Taqsimlangan tizimlar: Akka bir nechta tugunlar bo'ylab taqsimlangan ilovalarni yaratishni osonlashtiradi.
• Doimiylik (Persistence): Akka Persistence aktorlarga o'z holatini barqaror saqlash vositasiga saqlash imkonini beradi va ma'lumotlarning izchilligini ta'minlaydi.
• Oqimlar (Streams): Akka Streams ma'lumotlar oqimlarini qayta ishlash uchun reaktiv oqimlar freymvorkini taqdim etadi.
• O'rnatilgan testlashni qo'llab-quvvatlash: Akka ajoyib testlash imkoniyatlarini taqdim etadi, bu esa aktor xatti-harakatlarini yozish va tekshirishni osonlashtiradi.

Akka misoli: Oddiy hisoblagich aktori (Scala)

Mana, Akka yordamida Scala'da yozilgan oddiy hisoblagich aktori misoli:

            
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
              
            
          

Ushbu misolda:

• CounterActor aktorning xatti-harakatini belgilaydi va Increment hamda Get xabarlarini qayta ishlaydi.
• CounterApp ActorSystem yaratadi, hisoblagich aktorini ishga tushiradi va unga xabarlar yuboradi.

Akka'dan foydalanishning afzalliklari:

• Tanishlik: JVM asosida qurilganligi sababli Java va Scala dasturchilari uchun qulaydir.
• Katta ekosistema: Keng qamrovli Java kutubxonalari va vositalari ekosistemasidan foydalanadi.
• Moslashuvchanlik: Ham Java, ham Scala'ni qo'llab-quvvatlaydi.
• Kuchli hamjamiyat: Faol hamjamiyat va ko'plab resurslar mavjud.
• Yuqori unumdorlik: Aktor Modelining samarali implementatsiyasi.
• Testlash: Aktorlarni testlash uchun ajoyib qo'llab-quvvatlash.

Akka'dan foydalanishdagi qiyinchiliklar:

• Murakkablik: Katta ilovalar uchun o'zlashtirish murakkab bo'lishi mumkin.
• JVM qo'shimcha yuki: JVM tabiiy Erlang'ga nisbatan qo'shimcha yuk qo'shishi mumkin.
• Aktor dizayni: Aktorlar va ularning o'zaro ta'sirini sinchkovlik bilan loyihalashni talab qiladi.

Erlang va Akka'ni taqqoslash

Ham Erlang, ham Akka Aktor Modelining mustahkam implementatsiyalarini taklif qiladi. Ular orasida tanlov loyihaning talablari va cheklovlariga bog'liq. Qaroringizga yordam berish uchun taqqoslash jadvali:

Erlang quyidagi hollarda yaxshiroq tanlov bo'ladi:

• Sizga o'ta yuqori ishonchlilik va nosozliklarga chidamlilik kerak bo'lsa.
• Siz parallellik asosiy masala bo'lgan tizim quryapsiz.
• Siz juda ko'p sonli parallel ulanishlarni boshqarishingiz kerak bo'lsa.
• Siz loyihani noldan boshlayapsiz va yangi til o'rganishga ochiq bo'lsangiz.

Akka quyidagi hollarda yaxshiroq tanlov bo'ladi:

• Siz allaqachon Java yoki Scala bilan tanish bo'lsangiz.
• Siz mavjud Java ekosistemasi va kutubxonalaridan foydalanmoqchi bo'lsangiz.
• Loyihangiz o'ta yuqori nosozliklarga chidamlilikka kamroq e'tibor qaratishni talab qilsa.
• Siz boshqa Java-ga asoslangan tizimlar bilan integratsiya qilishingiz kerak bo'lsa.

Aktor Modelining amaliy qo'llanilishi

Aktor Modeli turli sohalarda keng ko'lamli ilovalarda qo'llaniladi. Mana bir nechta misollar:

• Telekommunikatsiya tizimlari: Erlang dastlab telekommunikatsiya kommutatorlari uchun ishlab chiqilgan va ishonchliligi va masshtablanuvchanligi tufayli ushbu sohada qo'llanilishda davom etmoqda.
• Tezkor xabar almashish: Dastlab Erlang yordamida qurilgan WhatsApp, Aktor Modelining juda ko'p sonli parallel foydalanuvchilarni qanday boshqarishi mumkinligining yorqin namunasidir. (Eslatma: WhatsApp'ning arxitekturasi rivojlangan.)
• Onlayn o'yinlar: Ko'p o'yinchili onlayn o'yinlar ko'pincha o'yin holatini boshqarish, o'yinchilarning o'zaro ta'sirini boshqarish va o'yin serverlarini masshtablash uchun Aktor Modelidan foydalanadi.
• Moliyaviy savdo tizimlari: Yuqori chastotali savdo platformalari real vaqtda katta hajmdagi tranzaksiyalarni qayta ishlash qobiliyati uchun Aktor Modelidan foydalanadi.
• IoT qurilmalari: IoT tarmog'idagi ko'plab qurilmalar o'rtasidagi aloqani boshqarish.
• Mikroservislar: Aktor Modelining tabiiy parallelligi uni mikroservislar arxitekturasi uchun juda mos qiladi.
• Tavsiya mexanizmlari: Foydalanuvchi ma'lumotlarini qayta ishlaydigan va shaxsiylashtirilgan tavsiyalar beradigan tizimlarni yaratish.
• Ma'lumotlarni qayta ishlash quvurlari: Katta ma'lumotlar to'plamlarini boshqarish va parallel hisob-kitoblarni bajarish.

Global misollar:

• WhatsApp (Global): Dastlab milliardlab xabarlarni qayta ishlash uchun Erlang yordamida qurilgan.
• Ericsson (Shvetsiya): Telekommunikatsiya uskunalarini yaratish uchun Erlang'dan foydalanadi.
• Klarna (Shvetsiya): To'lovlarni qayta ishlash tizimlarini yaratish uchun Akka'dan foydalanadi.
• Lightbend (Global): Akka ortidagi kompaniya, xizmatlar va qo'llab-quvvatlashni taqdim etadi.
• Boshqa ko'plab kompaniyalar (Global): Dunyo bo'ylab turli tashkilotlar tomonidan turli sohalarda, Londondagi va Nyu-Yorkdagi moliya markazlaridan Osiyodagi elektron tijorat platformalarigacha foydalaniladi.

Aktor Modelini amalga oshirish uchun eng yaxshi amaliyotlar

Aktor Modelidan samarali foydalanish uchun ushbu eng yaxshi amaliyotlarni ko'rib chiqing:

• Aktorlarni yagona mas'uliyat uchun loyihalashtiring: Har bir aktorning aniq, yaxshi belgilangan maqsadi bo'lishi kerak. Bu ularni tushunish, sinovdan o'tkazish va qo'llab-quvvatlashni osonlashtiradi.
• O'zgarmaslik (Immutability): Parallellik muammolarini oldini olish uchun aktorlaringiz ichida o'zgarmas ma'lumotlardan foydalaning.
• Xabar dizayni: Xabarlaringizni diqqat bilan loyihalashtiring. Ular o'z-o'zidan yetarli bo'lishi va aniq harakatlar yoki hodisalarni ifodalashi kerak. Xabar ta'riflari uchun yopiq sinflar/treytlar (Scala) yoki interfeyslardan (Java) foydalanishni ko'rib chiqing.
• Xatolarni qayta ishlash va nazorat qilish: Aktor nosozliklarini boshqarish uchun tegishli xatolarni qayta ishlash va nazorat strategiyalarini amalga oshiring. Aktorlaringiz ichidagi istisnolar bilan ishlash uchun aniq strategiyani belgilang.
• Testlash: Aktorlaringizning xatti-harakatlarini tekshirish uchun keng qamrovli testlar yozing. Xabar almashinuvi o'zaro ta'sirlari va xatolarni qayta ishlashni sinovdan o'tkazing.
• Monitoring: Aktorlaringizning unumdorligi va sog'lig'ini kuzatish uchun monitoring va loggingni amalga oshiring.
• Unumdorlikni hisobga oling: Xabar hajmlari va xabar almashish chastotasiga e'tibor bering, bu unumdorlikka ta'sir qilishi mumkin. Unumdorlikni optimallashtirish uchun tegishli ma'lumotlar tuzilmalari va xabarlarni seriyalashtirish usullaridan foydalanishni ko'rib chiqing.
• Parallellik uchun optimallashtiring: Tizimingizni parallel ishlov berish imkoniyatlaridan to'liq foydalanish uchun loyihalashtiring. Aktorlar ichida bloklovchi operatsiyalardan saqlaning.
• Hujjatlashtiring: Aktorlaringizni va ularning o'zaro ta'sirini to'g'ri hujjatlashtiring. Bu loyihani tushunish, qo'llab-quvvatlash va hamkorlikda ishlashga yordam beradi.

Xulosa

Aktor Modeli parallel va masshtablanuvchi ilovalarni yaratish uchun kuchli va nafis yondashuvni taklif etadi. Ham Erlang, ham Akka ushbu modelning mustahkam implementatsiyalarini taqdim etadi, har birining o'ziga xos kuchli va zaif tomonlari bor. Erlang nosozliklarga chidamlilik va parallellikda ustunlik qiladi, Akka esa JVM ekosistemasining afzalliklarini taklif etadi. Aktor Modeli tamoyillarini va Erlang hamda Akka imkoniyatlarini tushunib, siz zamonaviy dunyo talablariga javob beradigan yuqori darajada chidamli va masshtablanuvchi ilovalarni yaratishingiz mumkin. Ular orasidagi tanlov loyihangizning o'ziga xos ehtiyojlariga va jamoangizning mavjud tajribasiga bog'liq. Aktor Modeli, tanlangan implementatsiyadan qat'i nazar, yuqori unumdorlikka ega va ishonchli dasturiy tizimlarni yaratish uchun yangi imkoniyatlar ochadi. Ushbu texnologiyalarning qabul qilinishi haqiqatan ham global hodisa bo'lib, Nyu-York va Londonning gavjum moliya markazlaridan tortib, Hindiston va Xitoyning tez rivojlanayotgan texnologik markazlarigacha hamma joyda qo'llaniladi.