Actor模式——Python实现及应用

“并发是一种解耦策略”      —— Robert C.Martin

何为Actor模式呢？

引用维基百科的解释 Actor Model

在计算机科学中，参与者模式（Actor model）是一种并发运算上的模型。“参与者”是一种程序上的抽象概念，被视为并发运算的基本单元：当一个参与者接收到一则消息，它可以做出一些决策、创建更多的参与者、发送更多的消息、决定要如何回答接下来的消息。

这段话很全面，但也需要我们花时间来消化与理解。不妨先试着阅读以下这段Python代码实现，再分析理解。

from queue import Queue
from threading import Thread


class ActorExit(Exception):
    pass


class Actor(object):
    def __init__(self):
        self._thread = Thread()
        self._queue = Queue()

    def send(self, msg):
        self._queue.put(msg)

    def receive(self):
        msg = self._queue.get()
        if msg is ActorExit:
            raise ActorExit()
        return msg

    def stop(self):
        if self._thread.is_alive():
            self.send(ActorExit)

    def start(self):
        if not self._thread.is_alive():
            self._thread = Thread(target=self._bootstrap)
            self._thread.start()

    def _bootstrap(self):
        try:
            self.run()
        except ActorExit:
            pass

    def run(self):
        while True:
            msg = self.receive()
            print(msg)


# Sample Actor
class PrintActor(Actor):
    def run(self):
        while True:
            msg = self.receive()
            print("Got:", msg)


if __name__ == '__main__':
    p = PrintActor()
    p.start()
    p.send("Hello")
    p.send("World")
    p.stop()

这里我们定义了Actor模式的基类Actor和其子类实现PrintActor。

Actor对象是一个计算单元，所以每个actor都需要包含了一个Thread对象，用以执行给定的消息处理操作。同时actor对象也包含了一个Queue对象，实现了异步调用（在send消息后能立刻返回控制权）。
在启动actor之后，线程对象会执行引导函数_bootstrap，进而执行run函数。一般来说，在run函数里，我们会通过receive函数来读取之前通过send函数发送来的消息，然后根据给定的逻辑处理消息。特别地，receive函数会抛出ActorExit异常，而ActorExit异常正是我们作为停止线程的哨兵值。

Actor model 作为一种并发运算模型，其作用在于将 目的（做什么）和时机（何时做）解耦，以优化应用程序的吞吐量和结构。例如用户想要打印一段信息，那么他需要去调用对应的PrintActor的send函数（目的），然后程序会立刻返回，继续执行操作；至于这个打印的需求何时（时机）用户则无需关心。而这也是Actor模式吸引人之处——简单性：用户设计时，只需在其子类中定义好 run函数中的处理操作，使用时只需调用send函数，消息就能得到对应的处理。

抽象到一个新的高度，我们可以看到Actor模式在设计上有3个并发防御原则：

1. 单一权责：每个actor只负责处理对应类型的消息，且其中的并发代码和其他组件的代码是分隔开的。
2. 限制数据成员作用域：actor只开放send接口，最大程度地减小内部成员的暴露，限制可能被共享的数据的访问，缩减“临界区”范围。
3. 线程之间独立：每个actor线程都只在自己的世界里存在，不与其他线程共享数据。线程之间唯一的交互是send出去的消息，所以，当消息是不可变对象 或者 actor存储的是消息副本时，就能保证两个线程之间是独立的。

妥善使用Actor模式，保证子类也符合这三个原则，那么程序在架构层面上，能很好地降低多线程应用程序设计的复杂度。

最后，我们发散一下思维。
这里PrintActor是最简单的一种Actor，实践中我们可以设计一个DatabaseActor，用来存储数据；设计一个LogActor，用来记录日志；甚至可以把send方法实现为在socket上的数据传输，将“发送信息”这一概念扩展到多进程甚至是分布式系统之中。

参考书籍：

1. 《Python Cookbook》第三版
2. 《代码整洁之道》Robert C.Martin