基於消息傳遞的併發模型：Actor和CSP的區別

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

--Joe Armstrong

兩類通用併發模型：參考七週七併發模型

• 共享內存型Shared Memory

  • 線程Threads
  • 鎖Locks
  • 互斥l量Mutexes

• 消息傳送型（CSP和Actor模型）

  • 進程Processes
  • 消息Messages
  • 不共享數據(狀態)No shared data

重點介紹消息傳送型的兩種模型Actor和CSP（Communicating Sequential Process）的各項對比

主要目的：除了經常使用的Python、Java等用的併發模型以外，還存在這麼個東西

先看兩段代碼

代碼示例對比

使用Erlang代碼和Go代碼分別實現打印服務print_server，用來對比模型使用差別

Actor模型-Erlang代碼

%%%-------------------------------------------------------------------
%%% @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輸出結果以下：

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語法實現的，也能夠使用OTP gen_server原語實現更加清晰易懂

CSP模型-Go代碼

print函數從channel讀取消息並阻塞，直到主函數向channel寫入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)
}

輸出結果以下：

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

模型圖對比

Actor

Actor1發送消息到Actor2的郵箱中，郵箱本質是隊列，由Actor2消費

CSP

Process1在Channel的寫入端添加消息，Process2在channel的讀取端讀取消息

基本特性對比

Actor

1. 基於消息傳遞message-passing
2. 消息和信箱機制：消息異步發送
3. 保留可變狀態但不共享
4. 失敗檢測和任其崩潰
5. 重點在於發送消息時的實體

CSP

1. 基於消息傳遞message-passing
2. 順序進程Sequential processes
3. 經過channel同步通訊Synchronous communication through channels
4. 頻道交替複用Multiplexing of channels with alternation
5. 重點在於發送消息時使用的通道channel

通訊語義對比

Actor

Actor1等待消息並阻塞，直到Actor2發送消息給Actor1

Actor2發送消息給Actor3，暫存在Actor3的Mailbox中，直到Actor3接受並處理

CSP

Process1讀取channel因沒有消息阻塞，直到Process2向該channel添加消息

process2向channel添加消息並阻塞，直到Process3讀取該channel消息

Erlang實現簡易銀行帳戶

使用Erlang原語，代碼以下：

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

使用OTP的gen_server，代碼以下：

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

Erlang小項目：IP數據庫

使用Erlang/OTP實現的IP數據庫，能夠根據IP查詢到具體的國家省份等，代碼以下：

• https://github.com/Flowsnow/ip_db

不同的Erlang特性

1. Let it crash思想：值得借鑑

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

好比：執行算術異常崩潰

2. 變量是不可變的，變量一旦賦予值就沒法再改變：帶來的好處就是沒有可變狀態，就不須要內存共享，也就不須要有鎖
3. Erlang進程之間的惟一交互方式就是消息傳遞：Erlang中沒有像C++那樣，進程間擁有多種不一樣的交互方式（管道、消息隊列、存儲共享等等）。

FAQ

爲何沒有容量自動增大的緩衝區？

即便如今有一個看上去永不枯竭的資源，總有一天這個資源仍是會被用盡的。多是由於時過境遷，當初的老程序如今須要解決更大規模的問題；也多是存在一個bug，消息沒有被及時處理，致使被堆積。若是沒有思考緩衝區塞滿時的對策，那麼在將來的某個時間就有可能出現一個破壞性極強，隱蔽性極深且難以診斷的bug。最好的策略是在如今就思考如何處理緩存區被塞滿的狀況，將問題消滅在萌芽階段。

所以經常使用的緩存區類型有三種：阻塞型(blocking)，棄用新值型(dropping)，移出舊值型(sliding)

Python有什麼消息傳遞併發模型？

Actor模型pykka：https://github.com/jodal/pykka

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

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圖片均來源於here！

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參考：

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

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