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用Java实现Actor模型（模仿Skynet）
Actor模型是一种常见的并发模型，与最常见的并发模型——共享内存（同步锁）不同，它将程序分为许多独立的计算单元——Actor，每个Actor独立管理自己的资源，不同Actor之间通过消息传递来交互。它的好处是全异步执行，不会造成线程阻塞，从而提升CPU使用率，另外由于线程之间是异步交互，所以也不用考虑加锁和线程同步的问题。
Actor模型在业界有许多应用，例如游戏服务器框架Skynet、编程语言Erlang。
因为历史原因，Java下的Actor模型应用较少，知名的只有基于Scala的Akka。而且Actor模型也不是万能的，异步编程会需要编写更多的回调代码，原本的一步需要拆分成若干步来处理，无疑增加了代码编写复杂度（callback hell）。
本文以学习和研究为目的，使用Java实现一个简单Actor模型，功能上模仿Skynet，支持的功能包括：
- Actor基础功能：消息发送接收、异步处理等。
- 集群功能：支持多节点之间通信。
- 非阻塞的sleep和网络通信。
完整的源代码在可以在Github获取。以下是部分关键代码以及设计思路讲解。
Actor
Actor是Actor模型中的核心概念，每个Actor独立管理自己的资源，与其他Actor之间通信通过Message。
这里的每个Actor由单线程驱动，相当于Skynet中的服务。Actor不断从mailbox中获取尚未处理的Message，mailbox使用的结构是无界阻塞的LinkedBlockingQueue。
Actor类是抽象类，其中处理消息的handleMessage方法为抽象方法，需要每个具体类来重载实现。
public abstract class Actor {
private Node node;
private String name;
private final BlockingQueue<Message> mailbox = new LinkedBlockingQueue<>();
private Thread actorThread;
public Node getNode() {
return node;
}
public void setNode(Node node) {
this.node = node;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return name;
}
public void start() {
actorThread = new Thread(() -> {
ActorSystem.setThreadLocalActor(this);
for(;;) {
try {
Message message = mailbox.take();
try {
handleMessage(message);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
} catch (InterruptedException ignore) {
// ignore
}
}
});
actorThread.start();
}
public void act(Message msg) {
mailbox.offer(msg);
}
protected abstract void handleMessage(Message message);
}
Node
Node代表节点，与Skynet中节点意义相同。它是一个独立的Java进程，有自己的IP和端口，Node之间通过异步的网络通信发送和接收消息。一个Node中可以运行多个Actor，一个Actor仅可与一个Node绑定。
Node的唯一标识也是它的name，与Actor的name稍有不同，Node的name是全局唯一，而Actor的name是Node内唯一。
public abstract class Node {
/**
* 名字
* 需要是唯一的，按名字查找
*/
private String name;
private InetSocketAddress address;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String nodeName) {
name = nodeName;
}
public void setAddress(InetSocketAddress address) {
this.address = address;
}
}
ActorSystem
ActorSystem是Actor的管理系统，也是外部调用API的主要入口，提供本框架中的主要功能：创建Actor、发送消息、休眠Actor、网络通信等。下面分别详细说明。
ActorSystem初始化
分为以下三步：
首先是调用conf方法读取集群配置，包括每个Node的name和address。
其次是调用bindNode方法绑定当前Node。
最后是调用start方法初始化自身，包括对定时器的初始化和Netty服务端的初始化。之所以引入定时器，是因为无阻塞sleep需要用到，这个具体后面再说，另外也可以用于扩展实现通用的定时任务功能。Node之间发送消息都是异步的，客户端和服务端都使用了Netty做异步网络通信。
public class ActorSystem {
private static Map<String, InetSocketAddress> clusterConfig;
/**
* 当前绑定到的节点
*/
private static Node currNode;
private final static Map<String, Actor> actors = new HashMap<>();
/**
* 维护线程与Actor的对应关系
*/
private final static ThreadLocal<Actor> currThreadActor = new ThreadLocal<>();
/**
* 客户端Netty bootstrap
*/
private static Bootstrap clientBootstrap;
/**
* 维护节点与通道的对应关系
*/
private final static Map<String, Channel> channels = new ConcurrentHashMap<>();
private static void startNettyBootstrap() {
try {
// 先启动服务端bootstrap
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(bossGroup, workerGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)
.handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ChannelPipeline p = ch.pipeline();
p.addLast(new ObjectDecoder(ClassResolvers.cacheDisabled(null)))
.addLast(new ObjectEncoder())
.addLast(new ServerHandler());
}
});
InetSocketAddress address = clusterConfig.get(currNode.getName());
b.bind(address).sync();
// 再启动客户端bootstrap
EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
clientBootstrap = new Bootstrap();
clientBootstrap.group(group)
.channel(NioSocketChannel.class)
.handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
.option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ChannelPipeline p = ch.pipeline();
p.addLast(new ObjectDecoder(ClassResolvers.cacheDisabled(null)))
.addLast(new ObjectEncoder())
.addLast(new ClientHandler());
}
});
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException("actor system start fail", e);
}
}
public static void start() {
// 启动定时器
Timer.start();
// 启动Netty bootstrap
startNettyBootstrap();
}
public static void conf(Map<String, InetSocketAddress> config) {
clusterConfig = config;
}
/**
* 将当前系统绑定到某个节点
*/
public static void bindNode(Class<? extends Node> nodeClass, String nodeName) {
InetSocketAddress address = clusterConfig.get(nodeName);
try {
Constructor<? extends Node> constructor = nodeClass.getDeclaredConstructor();
Node node = constructor.newInstance();
node.setName(nodeName);
currNode = node;
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException("create node fail", e);
}
}
创建Actor
创建Actor调用newActor方法，指定要创建的Actor具体类和Actor name，Actor name需要Node内部唯一。
创建Actor时，先绑定当前Node，再调用Actor的start方法初始化，然后将name与Actor的映射关系加入到actors中。
/**
* 启动新的Actor
*/
public static void newActor(Class<? extends Actor> actorClass, String name) {
try {
Constructor<? extends Actor> constructor = actorClass.getDeclaredConstructor();
Actor actor = constructor.newInstance();
actor.setName(name);
actor.setNode(currNode);
actor.start();
actors.put(name, actor);
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException("create actor fail", e);
}
}
}
发送消息
核心是send方法，指定目标Node name、目标Actor name、命令名和参数后发送消息，也可以把这些信息包装在Message中发出。
消息的来源Node和来源Actor保存在一个ThreadLocal变量currThreadActor中。它的作用是在Actor创建时，将Actor线程与Actor绑定在一起，这样当调用send方法发送消息时，无需再显式指定来源Node和来源Actor，因为如果是Actor线程本身调用的send方法，那么直接从currThreadActor中取值即可；否则取不到值，那么来源Node和来源Actor都是null。
如果消息的目标Node与来源Node相同，那么直接找到对应的Actor添加消息即可；否则，需要走网络通信。这里的网络通信实际上就是一个简单的RPC通信，此处使用了Netty的ObjectEncoder和ObjectDecoder做消息的序列化和反序列化（注意：ObjectEncoder和ObjectDecoder在Netty的最新版本中已被废弃，因为Java序列化具有很大的安全隐患，这里仍然使用它们仅是为了演示方便）。
当走网络通信发送消息时，先判断到目标Node的Channel是否有效，若是，则直接发送消息；否则，先重新创建好Channel，再异步发送。这里实际上会有一个多线程同步的问题，就是多个线程同时尝试创建Channel，那么后面创建的Channel会把前面的覆盖掉，最后只会保留最后创建的一个。优化方法有两种：一是允许多个线程同时尝试创建Channel，但是当创建Channel成功时，如果发现已经有创建好的Channel引用了（来自别的线程创建），那么不保留这次创建的Channel，发送也通过已有的Channel引用；二是每次尝试创建Channel时都禁止别的线程做同样的操作。两种优化方法各有优劣，限于时间，这里没有用优化方法做具体实现。
public static void send(Message msg) {
String destNodeName = msg.getDestNode();
String destActorName = msg.getDestActor();
if (destNodeName.equals(currNode.getName())) {
Actor destActor = actors.get(destActorName);
destActor.act(msg);
} else {
sendToAnotherNode(msg);
}
}
private static void sendToAnotherNode(Message msg) {
try {
String destNodeName = msg.getDestNode();
// 如果没有连接，那么先建立连接
Channel channel = getChannel(destNodeName);
if (!isChannelValid(channel)) {
InetSocketAddress address = clusterConfig.get(destNodeName);
// TODO 有可能出现多线程同时尝试建立连接的情况，这里会保留最后一个
// 优化方法有两种：
// 1. 允许多次尝试，当建立连接成功后，如果已有成功连接的引用，那么不保留这次创建的连接
// 2. 尝试时阻塞其他尝试
clientBootstrap.connect(address).addListener(new ChannelFutureListener() {
@Override
public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
setChannel(destNodeName, future.channel());
future.channel().writeAndFlush(msg);
}
});
} else {
// 否则直接发送消息
channel.writeAndFlush(msg);
}
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException("send to another node fail");
}
}
public static void send(String destNodeName, String destActorName, String command, Object... params) {
Actor srcActor = currThreadActor.get();
String srcActorName = srcActor == null ? null : srcActor.getName();
String srcNodeName = srcActor == null ? null : srcActor.getNode().getName();
Message msg = new Message(command, srcNodeName, srcActorName, destNodeName, destActorName, params);
send(msg);
}
public static boolean isChannelValid(Channel channel) {
return channel != null && channel.isActive() && channel.isWritable();
}
public static Channel getChannel(String destNodeName) {
return channels.get(destNodeName);
}
public static void setChannel(String destNodeName, Channel channel) {
channels.put(destNodeName, channel);
}
/**
* Actor发送给自己
*/
public static void sendSelf(String command, Object... params) {
Actor selfActor = currThreadActor.get();
if (selfActor == null) {
throw new RuntimeException("not in an actor, send fail");
}
send(selfActor.getNode().getName(), selfActor.getName(), command, params);
}
public static void setThreadLocalActor(Actor actor) {
currThreadActor.set(actor);
}
休眠Actor
休眠Actor调用sleep方法实现，它制定了需要休眠的毫秒数，休眠完后回调的命令及参数。
sleep方法对应于Skynet中的skynet.sleep，它们都是阻塞任务但是不阻塞线程。不同的是，skynet.sleep使用了Lua的协程yield/resume，在实现上更加优雅，对用户是透明的，用户无需指定回调函数，就能在sleep到期时自动切换回当前任务继续执行。而Java没有这种特性，所以此处乞丐版的实现需要指定回调方法。
这里的sleep方法和skynet.sleep一样，底层都是通过定时任务来实现。具体来说，sleep调用后会添加一个TimerTask，封装了过期时间和回调命令及参数，待任务到期后将命令封装成Message发送给当前Actor自身。
public static void sleep(long millis, String command, Object... params) {
String destActorName = currThreadActor.get().getName();
Timer.addTimeTask(new TimerTask(System.currentTimeMillis() + millis, () -> {
ActorSystem.send(currNode.getName(), destActorName, command, params);
}));
}
定时器
上面说到sleep方法依赖定时器的实现。定时器在Timer类中实现，它在start方法中启动一个线程不断轮询处理定时任务，并提供了addTimeTask方法添加新的定时任务。
Timer使用优先级队列作为存储定时任务的数据结构，这样在插入任务时可以达到O(logN)的时间复杂度。
为性能考虑，Timer主线程非采用每隔一小段时间不断轮询的方式，而是在当前没有任务需要执行时保持阻塞。为此需要考虑两个唤醒阻塞条件，一是任务队列由空到非空时唤醒，二是当下个定时任务还没到期而阻塞时，插入一个到期时间更早的定时任务，需要重新设定阻塞时间，因此先唤醒主线程。
public class Timer {
/**
* 基于优先级队列实现的定时任务队列
*/
private static final PriorityQueue<TimerTask> timerTasks = new PriorityQueue<>();
private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
/**
* 唤醒阻塞条件一：队列非空
*/
private static final Condition notEmpty = lock.newCondition();
/**
* 唤醒阻塞条件二：当前时刻有任务需要执行
*/
private static final Condition hasCurrTask = lock.newCondition();
/**
* 添加新的定时任务
*/
public static void addTimeTask(TimerTask task) {
lock.lock();
if (timerTasks.isEmpty()) {
notEmpty.signal();
}
TimerTask firstTask = timerTasks.peek();
timerTasks.offer(task);
if (firstTask != null && task.getExecTime() < firstTask.getExecTime()) {
hasCurrTask.signal();
}
lock.unlock();
}
/**
* 启动定时器
*/
public static void start() {
Executor executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
executor.execute(() -> {
while (true) {
TimerTask firstTask;
lock.lock();
if (timerTasks.isEmpty()) {
try {
notEmpty.await();
} catch (InterruptedException ignore) {
// ignore
}
}
firstTask = timerTasks.peek();
long currDeadlineMillis = firstTask.getExecTime();
long currTime = System.currentTimeMillis();
long delay = currDeadlineMillis - currTime;
if (delay > 0) {
try {
hasCurrTask.await(delay, TimeUnit.MILLISECONDS);
} catch (InterruptedException ignore) {
// ignore
}
} else {
firstTask = timerTasks.poll();
}
lock.unlock();
if (firstTask != null) {
firstTask.run();
}
}
});
}
}
程序运行
示例程序放在test包下面，涉及到的类说明：
- ActorPing：每隔固定间隔向ActorPong发送消息，并接收回包。
- ActorPong：接收ActorPing发送的消息并原样返回。
- Cluster：包含NodeA和NodeB两个节点的配置。
- NodeA：启动时创建两个ActorPing，分别命名为ping1和ping2，分别以1s和5s的间隔向NodeB上的pong发送消息。
- NodeB：启动时创建一个ActorPong，命名为pong。
运行时，先启动NodeB，再启动NodeA，NodeA下面会打印带时间戳的如下信息：
[time:8, srcActor:null, destActor:ping1]command:start,params:[1000]
[time:8, srcActor:null, destActor:ping2]command:start,params:[5000]
[time:9, srcActor:ping1, destActor:ping1]command:ping,params:[1000]
[time:9, srcActor:ping2, destActor:ping2]command:ping,params:[5000]
[time:22, taskId:2]addTask
[time:22, taskId:1]addTask
[time:143, srcActor:pong, destActor:ping1]command:receivePong,params:[msg]
[time:143, srcActor:pong, destActor:ping2]command:receivePong,params:[msg]
[time:1026, taskId:2]execTask
[time:1026, srcActor:null, destActor:ping1]command:ping,params:[1000]
[time:1029, taskId:3]addTask
[time:1035, srcActor:pong, destActor:ping1]command:receivePong,params:[msg]
[time:2033, taskId:3]execTask
[time:2034, srcActor:null, destActor:ping1]command:ping,params:[1000]
[time:2034, taskId:4]addTask
[time:2037, srcActor:pong, destActor:ping1]command:receivePong,params:[msg]
[time:3036, taskId:4]execTask
[time:3036, srcActor:null, destActor:ping1]command:ping,params:[1000]
[time:3036, taskId:5]addTask
[time:3039, srcActor:pong, destActor:ping1]command:receivePong,params:[msg]
[time:4041, taskId:5]execTask
[time:4042, srcActor:null, destActor:ping1]command:ping,params:[1000]
[time:4042, taskId:6]addTask
[time:4044, srcActor:pong, destActor:ping1]command:receivePong,params:[msg]
[time:5022, taskId:1]execTask
[time:5022, srcActor:null, destActor:ping2]command:ping,params:[5000]
[time:5022, taskId:7]addTask
NodeB下面会打印如下信息：
[time:1938, srcActor:ping2, destActor:pong]command:pong,params:[msg]
[time:1940, srcActor:ping1, destActor:pong]command:pong,params:[msg]
[time:2855, srcActor:ping1, destActor:pong]command:pong,params:[msg]
[time:3856, srcActor:ping1, destActor:pong]command:pong,params:[msg]
[time:4856, srcActor:ping1, destActor:pong]command:pong,params:[msg]
[time:5860, srcActor:ping1, destActor:pong]command:pong,params:[msg]
[time:6850, srcActor:ping2, destActor:pong]command:pong,params:[msg]
小结
本文总结了使用Java实现一个简单Actor模型的完整流程。由于时间所限，本文只实现了Actor模型的基础功能。不过造轮子的目的主要是为了深入掌握Actor模型的核心概念，作为演示和研究的用途。对于并发模型来说，不管用哪种语言来实现，原理才是主要的、相通的，语言只不过是实现的工具。相信笔者的这篇文章也会帮助读者对Actor模型有更为深入的了解。
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