Actor 模型

这是一个非常重要且经典的并发计算模型，旨在简化分布式和并行系统的开发。它的核心思想是“万物皆Actor”，通过消息传递进行通信。

1. 核心思想：应对并发编程的挑战

传统的基于共享内存的并发编程（如使用锁和线程）非常复杂且容易出错，常见问题包括：

• 竞态条件：结果依赖于线程执行的时序。

• 死锁：多个线程互相等待对方释放锁。

• 难以扩展：管理和同步大量线程极其困难。

Actor 模型通过一套不同的原则来解决这些问题。

2. 什么是 Actor？

一个 Actor 是计算的基本单元，你可以把它想象成一个拥有独立状态和行为的小型处理单元。每个 Actor 都有唯一一个地址（邮箱地址），其他人只能通过向这个地址发送消息来与之交互。

一个 Actor 包含三个核心部分：

1. 状态：Actor 可以拥有自己的私有数据（状态）。关键点：这个状态是完全私有的，不能被其他任何 Actor 直接访问或修改。这从根本上避免了竞态条件，因为不存在共享内存。

2. 行为：Actor 包含了一系列逻辑，定义了它如何响应接收到的消息。这些逻辑决定了它如何处理消息、如何改变自己的状态、以及要向谁发送新消息。

3. 邮箱：每个 Actor 都有一个消息队列（邮箱）。发送给它的所有消息都会先进入这个队列，按照先进先出的顺序等待处理。邮箱解耦了消息发送者和接收者，使得系统在负载高峰时也能保持稳定。

3. Actor 模型的核心规则

1. 消息传递是唯一的交互方式：Actor 之间不能直接调用对方的方法或访问其状态。它们只能通过异步发送消息进行通信。

2. 并发处理：每个 Actor 内部是串行处理消息的。它一次只处理一条消息。这意味着在处理一条消息时，它的状态是安全且一致的，无需加锁。

3. 地址寻址：要向一个 Actor 发送消息，你必须知道它的地址。

4. 响应式行为：Actor 在收到消息后，可以做出以下一种或多种反应：

   • 改变其内部状态（为处理下一条消息做准备）。

   • 向其他 Actor 发送有限条新消息。

   • 创建有限个新 Actor。

   • 决定如何处理下一条消息（即改变其行为）。

4. 一个生动的例子：银行转账

假设有两个用户 Actor：ActorA（张三）和 ActorB（李四），以及一个银行账户管理器 AccountManager。

传统加锁方式（易死锁）：

1. 线程锁定张三的账户。

2. 线程尝试锁定李四的账户。

3. 如果同时有另一个转账从李四到张三，就可能发生两个线程互相等待，导致死锁。

Actor 方式：

1. ActorA 向 AccountManager 发送一条消息：“请从我的账户转 100 元给 ActorB”。

2. AccountManager 的邮箱收到这条消息。

3. AccountManager 处理这条消息：

   • 它先检查 ActorA 的余额是否充足。

   • 然后减少 ActorA 账户的余额（修改自己的状态）。

   • 增加 ActorB 账户的余额（修改自己的状态）。

   • 向 ActorA 发送一条消息：“转账成功”。

   • 向 ActorB 发送一条消息：“你收到了 100 元来自张三”。

4. 所有操作都是 AccountManager 串行处理的，在处理这条转账消息时，不会同时处理其他修改账户状态的消息，因此不存在竞态条件。邮箱中的消息会排队等待处理。

5. 优点

• 封装与状态隔离：状态被隐藏在 Actor 内部，避免了意外的并发修改。

• 强大的容错性：可以采用“let it crash”哲学。可以创建监督层次结构，一个 Actor（监督者）负责监控其子 Actor 的健康状况。如果子 Actor 崩溃了，监督者可以决定如何恢复（重启、重置、上报等），而不影响整个系统。

• 位置透明性：消息发送的机制是统一的。无论目标 Actor 是在本地进程的另一线程、另一台机器上，还是在另一个数据中心，代码看起来都是一样的。这使得分布式系统的开发变得简单。

• 可扩展性：由于没有共享状态和锁的争用，系统可以通过在更多 CPU 核心或更多机器上增加 Actor 的数量来轻松扩展。

6. 缺点与挑战

• 消息传递延迟：异步消息通信比直接方法调用开销更大。

• 编程模型复杂性：思维需要从“调用-返回”的指令式编程转变为“消息-响应”的响应式编程，有一定学习曲线。

• 消息可能丢失：在网络分布式环境中，消息可能无法送达（At-most-once 投递）。通常需要通过额外的确认和重传机制来实现At-least-once投递，但这可能导致消息重复。

• 系统整体行为难以理解：由于没有明确的调用栈，全是异步事件，调试和追踪一个跨越多 Actor 的请求会非常困难。

7. 主要实现与应用

• Erlang/OTP：最著名和最成功的 Actor 模型实现，广泛应用于电信、金融等领域，以其“九个9”（99.9999999%）的惊人可靠性而闻名。WhatsApp 的后端就大量使用了 Erlang。

• Akka (for Java/Scala)： 是 JVM 平台上最流行的 Actor 模型工具包。它提供了构建高并发、分布式和弹性消息驱动应用程序所需的一切。

• Orleans ：微软开发的 .NET 框架，采用“虚拟 Actor”模型，简化了分布式编程。

• 其他语言：许多现代语言如 Go (goroutine + channel), Rust (actix crate), 和 Pony 都深受 Actor 模型思想的影响或提供了相关实现。