actor模型的设计原理和使用

科技绿洲 2023-11-10 1082

描述

一、多核并发编程方式

（1）多线程。

在一个进程中开启多线程，为了充分利用多核，一般设置工作线程的个数为 cpu 的核心数。memcached 就是采用这种方式。

多线程在一个进程当中，所以数据共享来自进程当中的虚拟内存；这里会涉及到很多临界资源的访问，所以需要考虑加锁。

（2）多进程。

在一台机器当中，开启多个进程充分利用多核，一般设置工作进程的个数为 cpu 的核心数。nginx 就是采用这种方式，nginx 当中的 worker 进程，通过共享内存来进行共享数据；也需要考虑使用锁。

（3）CSP。

以 go 语言为代表，并发实体是协程（用户态线程、轻量级线程）；内部也是采用多少个核心开启多少个线程来充分利用多核。

（4）Actor。

erlang 从语言层面支持 actor 并发模型，并发实体是 actor（在skynet 中称之为服务）；skynet 采用 c + lua来实现 actor 并发模型；底层也是通过采用多少个核心开启多少个内核线程来充分利用多核。

二、skynet

2.1、skynet简介

它是一个轻量级游戏服务器框架，但也不仅仅用于游戏。

轻量级体现在：

实现了 actor 模型，以及相关的脚手架（工具集）：actor 间数据共享机制以及c 服务扩展机制。
实现了服务器框架的基础组件。实现了 reactor 并发网络库；并提供了大量连接的接入方案；基于自身网络库，实现了常用的数据库驱动（异步连接方案），并融合了 lua 数据结构；实现了网关服务；时间轮用于处理定时消息。

skynet抽象了actor并发模型，用户层抽象进程；sknet通过消息的方式共享内存；通过消息驱动actor运行。

skynet的actor模型使用lua虚拟，lua虚拟机非常小（只有几十kb），代价不高；每个actor对应一个lua虚拟机；系统中不能启动过多的进程就是因为资源受限，lua虚拟机占用的资源很少，可以开启很多个，这就能抽象出很多个用户层的进程。lua虚拟机可以共享一些数据，比如常量，达到资源复用。

抽象进程而不抽象线程的原因在于进程有独立的工作空间，隔离的运行环境。

sknet的所有actor都是对等的，通过公平调度实现。

2.2、环境准备

ubuntu：

sudo apt-get install git build-essential readline-dev autoconf
# 或者
sudo apt-get install git build-essential libreadline-dev autoconf

centos：

yum install -y git gcc readline-devel autoconf

mac：

yum install -y git gcc readline-devel autoconf

2.3、编译安装

git clone https://github.com/cloudwu/skynet.git
cd skynet
# centos or ubuntu
make linux
# mac
make macosx

2.4、Actor 模型

有消息的 actor 为活跃的 actor，没有消息为非活跃的 actor。

定义：

用于并行计算；
Actor 是最基本的计算单元；
基于消息计算；
Actor 通过消息进行沟通。

组成：

隔离的环境。主要通过 lua 虚拟机来实现。
消息队列。用来存放有序（先后到达）的消息。
回调函数。用来运行 Actor；从 Actor 的消息队列中取出消息，并作为该回调函数的参数来运行 Actor。

2.5、消息队列

Actor 模型基于消息计算，在 skynet 框架中，消息包含 Actor（之间）消息、网络消息以及定时消息。

生产者生产消息，消息放入消息队列中，由线程池去消费消息。

2.6、actor公平调度

所有的actor都是对等的，每个actor都有自己的消息队列；skynet的并发实体是actor，因此需要公平的调度actor。

skynet会有非常的actor，公平调度就非常重要；采用两级队列。

首先，查找活跃的消息队列（有消息的消息队列）；

然后，通过队列组织所有活跃的消息队列；

最后，调度队列。

线程池从一级队列取出一个消息，消费消息，消费完消息后如果还有消息，则添加到一级队列的末尾。因为用户问题造成消息不均匀，在应用上不一定公平；skynet在工作线程赋予权重来解决这个问题。

// 工作线程权重图 32个核心
static int weight[] = {
-1, -1, -1, -1, 0, 0, 0, 0,
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, // 1/2
2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, // 1/4
3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, }; // 1/8

当工作线程的权重为 -1 时，该工作线程每次只 pop 一条消息；当工作线程的权重为 0 时，该工作线程每次消费完所有的消息；当工作线程的权重为 1 时，每次消费消息队列中二分之一的消息；当工作线程的权重为 2 时，每次消费消息队列中四分之一的消息；以此类推；通过这种方式，完成消息队列梯度消费，从而不至于让某些队列过长。

三、skynet的使用

github 上打开 skynet 点击 wiki 里面有所有函数的详细说明。

3.1、第一个skynet程序

（1）在sknet源码的父目录下创建一个config文件，用于定制skynet的行为。内容可参考如下：

thread=4
logger=nil
harbor=0
start="main"
lua_path="./skynet/lualib/?.lua;./skynet/lualib/?/init.lua;"
luaservice="./skynet/service/?.lua;./app/?.lua"
lualoader="./skynet/lualib/loader.lua"
cpath="./skynet/cservice/?.so"
lua_cpath="./skynet/luaclib/?.so"

参数说明：

（2）在app文件下面创建main.lua。每次启动时都是从skynet.start(…)中运行，相当于入口函数。

local skynet = require("skynet")

skynet.start(function()
-- body
print("hello skynet")
end)

（3）编写一个自己项目的makefile。首先编译skynet的源码，如果有自己的c代码直接加入makefile文件。

SKYNET_PATH?=./skynet

all:
cd $(SKYNET_PATH) && $(MAKE) PLAT='linux'

clean:
cd $(SKYNET_PATH) && $(MAKE) clean

（4）编译，执行自己的makefile。

make

（5）执行skynet，指定config。

./skynet/skynet config

[:00000002] LAUNCH snlua bootstrap
[:00000003] LAUNCH snlua launcher
[:00000004] LAUNCH snlua cdummy
[:00000005] LAUNCH harbor 0 4
[:00000006] LAUNCH snlua datacenterd
[:00000007] LAUNCH snlua service_mgr
[:00000008] LAUNCH snlua main
hello skynet
[:00000002] KILL self

可以看到打印了hello skynet。

3.2、skynet网络消息

skynet 当中采用一个 socket 线程来处理网络信息；skynet 基于 reactor 网络模型。

网络消息驱动actor运行。需要skynet.socket模块。

首先绑定一个监听 listenfd，然后调用socket.start(listenfd, function)绑定fd到进程函数function中处理。

示例：

main.lua

local skynet = require "skynet"
local socket=require "skynet.socket"

skynet.start(function()
-- body
print("hello skynet")

local listenfd=socket.listen("0.0.0.0",8888);
socket.start(listenfd,function(clientfd,addr)
-- body
print("receive a client: ",clientfd,addr);
end)

end)

3.3、skynet定时消息

定时任务推送给定时线程，定时线程检测完时间后往消息队列推送一个消息，然后actor开始执行callback函数。

使用示例： main.lua

local skynet = require "skynet"

skynet.start(function()
-- body
print("hello skynet")
skynet.timeout(100,function()
-- body
print("timer 1s");
end)

end)

3.4、skynet actor间消息

所有的服务都是通过消息来交换数据。actor间消息通信通过将消息放到对方的消息队列实现。

示例，创建两个lua文件。

main发送“ping”给slave，协程挂起；slave回复“pong”给main，协程唤醒。整个过程使用协程实现异步操作，消除异步中的回调。

main.lua

local skynet = require("skynet")

skynet.start(function()
-- body
print("hello skynet")

local slave=skynet.newservice("slave")
local response=skynet.call(slave,"lua","ping")
print("main ",response)
end)

slave.lua

local skynet = require "skynet"

local CMD={}

function CMD.ping()
-- body
skynet.retpack("pong")
end

skynet.start(function()
skynet.dispatch("lua",function(session,source,cmd,...)
local func=assert(CMD[cmd])
func(...)
end)
end)

执行效果：

四、vscode调试skynet

首先要知道整个系统/框架是怎么应用的。skynet会自己产生一个skynet执行程序，需要指定配置文件来启动服务。

项目下的.vscode文件夹需要如下三个文件。

launch.json

{
"version": "0.2.0",
"configurations": [
{
"name": "启动 app",
"type": "cppdbg",
"request": "launch",
"program": "${workspaceFolder}/skynet/skynet",
"args": ["config"],
"stopAtEntry": false,
"cwd": "${workspaceFolder}",
"environment": [],
"externalConsole": false,
"MIMode": "gdb",
"setupCommands": [
{
"description": "为 gdb 启用整齐打印",
"text": "-enable-pretty-printing",
"ignoreFailures": true
},
{
"description": "将反汇编风格设置为 Intel",
"text": "-gdb-set disassembly-flavor intel",
"ignoreFailures": true
}
],
"preLaunchTask": "build-skynet",
"miDebuggerPath": "/usr/bin/gdb"
}
]
}

settings.json

{
"C_Cpp.default.configurationProvider": "ms-vscode.makefile-tools",
"files.associations": {
"string.h": "c",
"stdlib.h": "c",
"pthread.h": "c"
},
}

tasks.json

{
"tasks": [
{
"type": "cppbuild",
"label": "build-skynet",
"command": "/usr/bin/make",
"args": [],
"options": {
"cwd": "${workspaceFolder}"
},
"problemMatcher": [
"$gcc"
],
"group": {
"kind": "build",
"isDefault": true
},
"detail": "..."
}
],
"version": "2.0.0"
}

实现这三个文件就可以开始调试了。

skynet是一个网络服务，需要处理网络连接，需要知道数据是怎么流向，理解框架的运行机制（多线程并发）；所有的actor的运行都是由线程池来驱动，actor的运行又是由消息队列的消息驱动（网络消息、定时消息、actor间消息）。

线程池从消息队列中取出消息，找到回调函数，驱动actor运行。

总结

不要通过共享内存来通信，而应该通过通信来共享内存。CSP 和 Actor 都符合这一哲学；通过通信来共享数据，其实是一种解耦合的过程。并lua发实体之间可以分别开发并单独优化，而它们唯一的耦合在于消息；这能让我们快速地进行开发；同时也符合我们开发的思路，将一个大的问题拆分成若干个小问题。

actor模型是在用户层抽象了进程。

actor调度：将活跃的 actor 通过全局队列组织起来；actor 当中的消息队列有消息就是活跃的 actor；线程池去全局队列中取出 actor 的消息队列，接着运行actor。

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