Java并发57:Akka Actors并发框架浅谈及入门示例

本章对Actors并发框架进行初步的介绍和入门示例的演示，关于其更深层次的内容，以后会系统性的进行学习。

1.Actors并发模型简介

Actors并发模型是计算机科学领域中的一个并行计算模型，它把actors当做通用的并行计算原语。
一个actor对接收到的消息做出响应，进行本地决策，可以创建更多的actor，或者发送更多的消息；同时准备接收下一条消息。
在Actor理论中，一切都被认为是actor，这和面向对象语言里一切都被看成对象很类似。
但包括面向对象语言在内的软件通常是顺序执行的，而Actor模型本质上则是并发的。

Actors模型对并发模型进行了更高的抽象，它是一种异步、非阻塞、高性能的轻量级事件驱动编程模型。所谓轻量级事件指的是这些acotr内存消耗极小，1GB内存可容纳百万级别个Actor。Actors模型适用于可以用于高并发、分布式场景。

JDK本身并没有提供对Actors并发模型的实现，不过其他的开发库中已经实现并且被广泛应用，例如本章的学习对象：Akka。

2.Akka Actors模型简介

Akka Actors官方文档地址：https://doc.akka.io/docs/akka/current/index-actors.html

Akka Actors的模型图如下：

总结：

Actor与Actor之前只能用消息进行通信。
每个Actor都有一个邮箱。
Actor与Actor之间并不是直接通过消息通信，而是将消息发送至此Actor的邮箱MailBox。
消息在邮箱MailBox是有序的。
每个Actor在处理单个消息时都是串行的。
Actor中的消息是不可变的。
消息的传递不保证绝对可靠。

Akka Actors模型的优势：

轻量级事件比线程的粒度小得多，意味着可以在程序中使用大量的Actor。
Akka提供了一套容错机制，允许在出错时进行一些恢复或者重置操作。
Akka依靠其透明的远程Actor定位服务，保证了其分布式并发环境中的可用性。

3.Akka Actors重要概念

下面介绍Akka Actors模型的几个重要概念：

1.Actor

Actor即角色，前面已经说过，Akka Actors模型将actors当做通用的并行计算原语，所以Actor是必不可少的。

Actor总结：

Akka Actor的组织结构是一种树形结。
因为Actor是树形组织，所以Actor的路径类似于文件的路径。
每个Actor都有父级，有可能有子级当然也可能没有。
父级Actor给其子级Actor分配资源，任务，并管理其的生命状态（监管和监控）。
如果我们知道一个远程Actor的具体位置，那么我们就可以向他发送消息。
一个本地Actor的路径：akka://search-system/user/master
一个远程Actor的路径：akka.tcp://search-system@host.example.com:5678/user/master

2.ActorSystem

ActorSystem即角色系统，为了统一的调度和管理系统中的众多actors，我们需要首先定义一个ActorSystem。

ActorSystem的主要功能有三个：

统一管理和调度actors，如：任务的拆分、处理等等。
配置Actor系统参数，如：拦截器、优先、路由策略等等。
日志功能：为了保证Akka的高容错机制，编程中尽量需要完善的日志记录，以便出错处理。

3.ActorRef

ActorRef即角色引用，每个Actor有唯一的ActorRef，Actor引用可以看成是Actor的代理，与Actor打交道都需要通过Actor引用。

4.Akka Actors入门编程流程

下面简述一下Akka Actors的入门级的编程流程：

编写Message类，用于存放消息。
编写Actor类，用于定义接收到消息之后所做的操作，注意日志处理。
定义一个ActorSystem，用于管理和调度程序中的Actor。
定义ActorRef，用于引用Actor类。
调用actorRef.tell(message)，用于向此Actor发送消息。
关闭ActorSystem。

5.编程实例

下面以两个简单的例子来展示Actor并发编程的基本流程：

Hello World
最快搜索：通过多个搜索引擎查询某个条件，返回最快的查询结果。

5.1.Hello World

场景说明：

定义一个消息类，用于存放被欢迎的内容。
定义一个角色类，用于欢迎接收到的消息。

实例代码：

消息类：

/**
 * <p>Hello的消息类</p>
 * @author hanchao 2018/4/16 21:34
 **/
public class HelloMessage{
    /** 欢迎的对象 */
    private String name;

    //getter setter constructor toString
}

角色类：

/**
 * <p>Actor框架入门示例-HelloWorld的角色</p>
 *
 * @author hanchao 2018/4/16 21:07
 **/
public class HelloActor extends UntypedAbstractActor {

    //定义日志，很重要
    LoggingAdapter log = Logging.getLogger(getContext().getSystem(),this);
    /**
     * <p>重写接收方法</p>
     * @author hanchao 2018/4/16 21:31
     **/
    @Override
    public void onReceive(Object message){
        log.info("HelloActor receive message : " + message);
        //如果消息类型是HelloMessage，则进行处理
        if (message instanceof HelloMessage){
            log.info("Hello " + ((HelloMessage) message).getName() + "!");
        }
    }
}

测试类：

/**
 * <p>Actor入门示例</p>
 * @author hanchao 2018/4/16 21:37
 **/
public static void main(String[] args) {
    //创建actor系统
    ActorSystem system = ActorSystem.create("hello-system");
    //定义Actor引用
    ActorRef helloActor = system.actorOf(Props.create(HelloActor.class),"hello-actor");

    //向HelloActor发送消息
    helloActor.tell(new HelloMessage("World"),null);
    helloActor.tell(new HelloMessage("Akka Actor"),null);

    //终止Actor系统
    system.terminate();
}

运行结果：

[INFO] [04/18/2018 22:37:55.744] [hello-system-akka.actor.default-dispatcher-2] [akka://hello-system/user/hello-actor] HelloActor receive message : HelloMessage{name='World'}
[INFO] [04/18/2018 22:37:55.744] [hello-system-akka.actor.default-dispatcher-2] [akka://hello-system/user/hello-actor] Hello World!
[INFO] [04/18/2018 22:37:55.744] [hello-system-akka.actor.default-dispatcher-2] [akka://hello-system/user/hello-actor] HelloActor receive message : HelloMessage{name='Akka Actor'}
[INFO] [04/18/2018 22:37:55.744] [hello-system-akka.actor.default-dispatcher-2] [akka://hello-system/user/hello-actor] Hello Akka Actor!

5.2.最快搜索

场景说明：

通过多个搜索引擎查询某个条件，返回最快的查询结果。

定义一个消息类，用于存放搜索条件。
定义一个消息类，用于存放搜索结果。
定义一个角色类，用于接收搜索条件、搜索和返回搜索结果。
定义一个角色类，用于派发搜索任务和接收搜索结果。

实例代码：

搜索引擎工具类EngineUtils ：模拟搜索引擎列表和搜索过程。

/**
 * 搜索引擎工具类
 * Created by 韩超 on 2018/3/6.
 */
public class EngineUtils {
    private final static Logger LOGGER = Logger.getLogger(EngineUtils.class);

    //搜索引擎列表
    private static List<String> engineList;

    static {
        engineList = new ArrayList<>();
        engineList.add("百度");
        engineList.add("Google");
        engineList.add("必应");
        engineList.add("搜狗");
        engineList.add("Redis");
        engineList.add("Solr");
    }

    /**
     * <p>Title: 模拟一个搜索引擎进行一次问题查询</p>
     * @author 韩超 2018/3/6 11:20
     */
    public static String searchByEngine(String question,String engine) throws InterruptedException {
        //获取随机的时间间隔
        int interval = RandomUtils.nextInt(1,5000);
//        LOGGER.info("搜索引擎[" + engine + "]正在查询，预计用时" + interval + "毫秒...");
        //当前线程休眠指定时间，模拟搜索引擎用时
        Thread.sleep(interval);
        return "通过搜索引擎[" + engine + "]，首先查到关于(" + question + ")问题的结果，用时 = " + interval + "毫秒!";
    }

    public static List<String> getEngineList() {
        return engineList;
    }

    public static void setEngineList(List<String> engineList) {
        EngineUtils.engineList = engineList;
    }
}

搜索条件消息类QueryTerms ，用于存储搜索条件：

/**
* <p>Title: 定义查询条件类，用于传递消息</p>
 *
 * @author 韩超 2018/3/6 16:16
 */
static class QueryTerms {
    /**
     * 问题
     */
    private String question;
    /**
     * 搜索引擎
     */
    private String engine;

    //getter setter toString constructor
}

搜索结果消息类QueryResult ，用于存放搜索结果：

/**
* <p>Title: 定义查询结果类，用于消息传递</p>
 *
 * @author 韩超 2018/3/6 16:17
 */
static class QueryResult {
    /**
     * 查询结果
     */
    private String result;

    //getter setter toString constructor
}

搜索角色类SearchEngineAcotr ，用于接收搜索条件，调用搜索引擎进行搜索：

/**
 * <p>Title:搜索引擎Actor </br>
 * 继承UntypedAbstractActor成为一个Actor</p>
 *
 * @author 韩超 2018/3/6 14:42
 */
static class SearchEngineAcotr extends UntypedAbstractActor {
    //定义Actor日志
    private LoggingAdapter log = Logging.getLogger(getContext().getSystem(),this);
    /**
     * <p>Title: Actor都需要重写消息接收处理方法</p>
     *
     * @author 韩超 2018/3/6 14:42
     */
    @Override
    public void onReceive(Object message) throws Throwable {
        //如果消息是指定的类型Message，则进行处理，否则不处理
        if (message instanceof QueryTerms) {
            log.info("接收到搜索条件：" + ((QueryTerms) message).getQuestion());
            //通过工具类进行一次搜索引擎查询
            String result = EngineUtils.searchByEngine(((QueryTerms) message).getQuestion(), ((QueryTerms) message).getEngine());
            //通过getSender().tell(result,actor)将actor的 处理结果[result] 发送消息的发送者[getSender()]
            //通过getSender获取消息的发送方
            //通过getSelf()获取当前Actor
            getSender().tell(new QueryResult(result), getSelf());
        } else {
            unhandled(message);
        }
    }
}

主角色类QuestionQuerier ，用于分发搜索任务和接收搜索结果：

/**
* <p>Title: 问题查询器Actor</br>
 * 继承自UntypedAbstractActor</p>
 *
 * @author 韩超 2018/3/6 16:31
 */
static class QuestionQuerier extends UntypedAbstractActor {
    //定义Actor日志
    private LoggingAdapter log = Logging.getLogger(getContext().getSystem(),this);
    /**
     * 搜索引擎列表
     */
    private List<String> engines;
    /**
     * 搜索结果
     */
    private AtomicReference<String> result;
    /**
     * 问题
     */
    private String question;

    public QuestionQuerier(String question, List<String> engines, AtomicReference<String> result) {
        this.question = question;
        this.engines = engines;
        this.result = result;
    }

    /**
     * <p>Title: Actor都需要重写消息接收处理方法</p>
     *
     * @author 韩超 2018/3/6 16:35
     */
    @Override
    public void onReceive(Object message) throws Throwable {
        //如果收到查询结果，则对查询结果进行处理
        if (message instanceof QueryResult) {//如果消息是指定的类型Result，则进行处理，否则不处理
            log.info("接收到搜索结果：" + ((QueryResult) message).getResult());
            //通过CAS设置原子引用的值
            result.compareAndSet(null, ((QueryResult) message).getResult());
            //如果已经查询到了结果，则停止Actor
            //通过getContext()获取ActorSystem的上下文环境
            //通过getContext().stop(self())停止当前Actor
            getContext().stop(self());
        } else {//如果没有收到处理结果，则创建搜索引擎Actor进行查询
            log.info("开始创建搜索引擎进行查询");

            //使用原子变量去测试Actor的创建是否有序
            AtomicInteger count = new AtomicInteger(1);

            //针对每一个搜索引擎，都创建一个Actor
            for (String engine : engines) {
                log.info("为" + engine + "创建第" + count + "个搜索引擎Actor....");
                count.getAndIncrement();

                //通过actorOf(Props,name)创建Actor
                //通过Props.create(Actor.class)创建Props
                ActorRef fetcher = this.getContext().actorOf(Props.create(SearchEngineAcotr.class), "fetcher-" + engine.hashCode());
                //创建查询条件
                QueryTerms msg = new QueryTerms(question, engine);
                //将查询条件告诉Actor
                fetcher.tell(msg, self());
            }
        }
    }
}

测试代码：

/**
 * <p>Title:通过多个搜索引擎查询多个条件，并返回第一条查询结果 </p>
 *
 * @author 韩超 2018/3/6 14:15
 */
public static void main(String[] args) {
    //通过工具类获取搜索引擎列表
    List<String> engines = EngineUtils.getEngineList();
    //通过 Actor 进行并发查询，获取最先查到的答案
    String result = new FlavorActorDemo().getFirstResult("今天你吃了吗？", engines);
    //打印结果
}

/**
 * 通过多个搜索引擎查询，并返回第一条查询结果
 *
 * @param question 查询问题
 * @param engines  查询条件数组
 * @return 最先查出的结果
 * @author 韩超 2018/3/6 16:44
 */
@Override
public String getFirstResult(String question, List<String> engines) {
    //创建一个Actor系统
    ActorSystem system = ActorSystem.create("search-system");
    //创建一个原子引用用于保存查询结果
    AtomicReference<String> result = new AtomicReference<>();
    //通过静态方法，调用Props的构造器，创建Props对象
    Props props = Props.create(QuestionQuerier.class, question, engines, result);
    //通过system.actorOf(props,name)创建一个 问题查询器Actor
    final ActorRef querier = system.actorOf(props, "master");
    //告诉问题查询器开始查询
    querier.tell(new Object(), ActorRef.noSender());

    //通过while无限循环 等待actor进行查询，知道产生结果
    while (null == result.get()) ;
    //关闭 Actor系统
    system.terminate();
    //返回结果
    return result.get();
}

运行结果(某一次)：

[INFO] [04/18/2018 23:10:11.949] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-7] [akka://search-system/user/master] 开始创建搜索引擎进行查询
[INFO] [04/18/2018 23:10:11.959] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-7] [akka://search-system/user/master] 为百度创建第1个搜索引擎Actor....
[INFO] [04/18/2018 23:10:11.959] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-7] [akka://search-system/user/master] 为Google创建第2个搜索引擎Actor....
[INFO] [04/18/2018 23:10:11.959] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-7] [akka://search-system/user/master] 为必应创建第3个搜索引擎Actor....
[INFO] [04/18/2018 23:10:11.959] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-6] [akka://search-system/user/master/fetcher-964584] 接收到搜索条件：今天你吃了吗？
[INFO] [04/18/2018 23:10:11.959] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-7] [akka://search-system/user/master] 为搜狗创建第4个搜索引擎Actor....
[INFO] [04/18/2018 23:10:11.959] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-7] [akka://search-system/user/master] 为Redis创建第5个搜索引擎Actor....
[INFO] [04/18/2018 23:10:11.959] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-7] [akka://search-system/user/master] 为Solr创建第6个搜索引擎Actor....
[INFO] [04/18/2018 23:10:11.969] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-7] [akka://search-system/user/master/fetcher-2138589785] 接收到搜索条件：今天你吃了吗？
[INFO] [04/18/2018 23:10:11.969] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-2] [akka://search-system/user/master/fetcher-2582786] 接收到搜索条件：今天你吃了吗？
[INFO] [04/18/2018 23:10:11.969] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-5] [akka://search-system/user/master/fetcher-784239] 接收到搜索条件：今天你吃了吗？
[INFO] [04/18/2018 23:10:11.969] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-3] [akka://search-system/user/master/fetcher-78837083] 接收到搜索条件：今天你吃了吗？
[INFO] [04/18/2018 23:10:11.975] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-4] [akka://search-system/user/master/fetcher-823867] 接收到搜索条件：今天你吃了吗？
[INFO] [04/18/2018 23:10:13.255] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-11] [akka://search-system/user/master] 接收到搜索结果：通过搜索引擎[搜狗]，首先查到关于(今天你吃了吗？)问题的结果，用时 = 1279毫秒!
[INFO] [04/18/2018 23:10:15.504] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-5] [akka://search-system/user/master] Message [pers.hanchao.flavors.FlavorActorDemo$QueryResult] from Actor[akka://search-system/user/master/fetcher-2582786#-286481483] to Actor[akka://search-system/user/master#-1184484885] was not delivered. [1] dead letters encountered. This logging can be turned off or adjusted with configuration settings 'akka.log-dead-letters' and 'akka.log-dead-letters-during-shutdown'.
[INFO] [04/18/2018 23:10:15.504] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-5] [akka://search-system/user/master] Message [pers.hanchao.flavors.FlavorActorDemo$QueryResult] from Actor[akka://search-system/user/master/fetcher-964584#166806804] to Actor[akka://search-system/user/master#-1184484885] was not delivered. [2] dead letters encountered. This logging can be turned off or adjusted with configuration settings 'akka.log-dead-letters' and 'akka.log-dead-letters-during-shutdown'.
[INFO] [04/18/2018 23:10:15.504] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-5] [akka://search-system/user/master] Message [pers.hanchao.flavors.FlavorActorDemo$QueryResult] from Actor[akka://search-system/user/master/fetcher-2138589785#376820931] to Actor[akka://search-system/user/master#-1184484885] was not delivered. [3] dead letters encountered. This logging can be turned off or adjusted with configuration settings 'akka.log-dead-letters' and 'akka.log-dead-letters-during-shutdown'.
[INFO] [04/18/2018 23:10:15.504] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-5] [akka://search-system/user/master] Message [pers.hanchao.flavors.FlavorActorDemo$QueryResult] from Actor[akka://search-system/user/master/fetcher-78837083#-224726121] to Actor[akka://search-system/user/master#-1184484885] was not delivered. [4] dead letters encountered. This logging can be turned off or adjusted with configuration settings 'akka.log-dead-letters' and 'akka.log-dead-letters-during-shutdown'.
[INFO] [04/18/2018 23:10:15.504] [search-system-akka.actor.default-dispatcher-5] [akka://search-system/user/master] Message [pers.hanchao.flavors.FlavorActorDemo$QueryResult] from Actor[akka://search-system/user/master/fetcher-784239#1622650486] to Actor[akka://search-system/user/master#-1184484885] was not delivered. [5] dead letters encountered. This logging can be turned off or adjusted with configuration settings 'akka.log-dead-letters' and 'akka.log-dead-letters-during-shutdown'.

参考文献

[1] Akka系列（一）：Akka简介与Actor模型
 [2] 漫谈并发编程：Actor模型
 [3] Java并发的四种风味：Thread、Executor、ForkJoin和Actor

posted @ 2021-10-23 15:48 姚春辉阅读(1436) 评论(0) 编辑收藏举报

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