适合C# Actor的消息执行方式（4）：阶段性总结
2009-07-20 09:19 by 老赵, 6781 visits这个系列原本打算写3篇，也就是说在上一篇文章中已经把老赵认为较合适的方法展现出来了，但事实上这个系列的计划已经扩展为8篇了——没错，翻了一倍不止，而最终是几篇现在我也无法断言。其实这也是我写不了书的原因之一。虽说唯一不变的就是变化，但是我变的太离谱了。不断写，不断出现新想法，不断变化。作为这个系列的第4篇，我们现在来对之前3篇文章进行一番阶段性总结。
阶段性总结本不在计划之内，不过似乎Actor模型这方面内容还不太受人关注，因此有的朋友也误解这系列文章想要解决的问题是什么。除了这方面的解释之外，我还会对之前提出的几种做法进行综合的对比，可以进一步了解整个演变过程的思路，为接下去的改变做铺垫——因为下次改变就涉及到多个方向，每个方向都是在一定程度上真正可用的方式。
我们究竟是要解决什么问题
Actor模型的本质已经被强调了无数遍：万物皆Actor。Actor之间只有发送消息这一种通信方式，例如，无论是管理员让工作者干活，还是工作者把成果交还给管理员，它们之间也要通过发送消息的方式来传递信息。这么做看似不如直接方法调用来的直接，但是由于大量的消息可以同时执行。同样，消息让Actor之间解耦，消息发出之后执行成功还是失败，需要耗费多少时间，只要没有消息传递回来，这一切都和发送方无关。Actor模型的消息传递形式简化了并行程序的开发，使开发人员无需在共享内存（确切地说，其实是共享“写”）环境中与“锁”、“互斥体”等常用基础元素打交道。不过，使用Actor模型编写应用程序，需要开发人员使用一种与以往不同的设计思路，这样的思路说难倒不难，说简单也不简单。等我们有了成熟、稳固的Actor模型之后（例如高效的调度，合适的容错机制，老赵正在为此努力），再回头来探究这种特殊的架构方式。
由于Actor执行的唯一“事件”便是接受到了一个消息，而一个Actor很可能会做多件事情，因此我们一定需要一种机制，可以把消息“分派”到不同的“逻辑段”中去，并为不同的逻辑指定各自所需要的参数。例如，Person是一个Actor类型，它有三种任务，不同的任务会带有不同参数：
- 聊天（Chat）：指定另一个Person对象（聊天的另一方），以及一个Topic对象（聊天的话题）。
- 吃饭（Eat）：指定一个Restaurant对象（餐馆）。
- 干活（Work）：指定一个Person对象（工作完成后的汇报人），以及一个Job对象（任务）。
当Person对象获得一条消息时，它需要将其识别为聊天、吃饭或干活中的一种，再从中获取到这个行动所需要的数据。如果用一幅示意图来表示，它可能是这样的：
如何在C#中把一条消息转化为一段逻辑的执行，并且尽可能确保一些优势（如易于编写，静态检查，代码提示，重构，单元测试……），这便是这系列文章唯一的目的。正如文章的标题，我们关注的是“消息执行方式”，而不是：
- “消息传递”与“共享内存”两种并行方式的比较
- 讲述Actor模型的应用程序设计方式。
- 提出消息传递时的解耦方式。
- ……
文章使用Actor模型作为示例，是因为我编写的ActorLite组件易于说明问题，并且是典型的“消息传递”场景。事实上，文章所表达的内容，适合任何基于消息传递的C#场景，例如内存中的消息队列、生产者/消费者模式、消息总线……它并没有限制Actor模型这一种架构方式。
Erlang的模式匹配
首先，我们观察了Erlang中的模式匹配。在Erlang中，一个消息往往为一个元组，而一个Actor便会根据这个消息的模式，或者用更通俗的方式来讲，“结构”，来选择处理消息的逻辑分支。例如对于上面举出的例子，它的模式匹配代码便可能是：
receive
{chat, Person, Topic} ->
... % “聊天”逻辑
{eat, Restaurant} ->
... % “吃饭”逻辑
{work, Person, Job} ->
... % “干活”逻辑
end
小写字母开头的标识符为“原子”，可以认为是一个常量，用于标识这个消息用来“干什么”。大写开头的为“绑定”，可以认为是一个变量（虽然不可变），用于标识这个消息“所使用的数据”。如果使用示意图来表示这个消息执行方式，则类似于：
如果收到的消息是{eat, {mcdonalds, 2}}，则会执行“吃饭”逻辑，而执行时Restaurant的值将自动绑定为元组{mcdonalds, 2}，而不需要任何转化或赋值操作。Erlang便是这样将一个消息转化为一段逻辑执行的。
C#的Tag Message
一般来说，Erlang的消息是一个元组，而元组的第一个元素为原子，用来标识“做什么”。这个原子被称为是这个消息tag，这种用法被叫做Tag Message，它是“Erlang编程规范”中的推荐用法。在C#中，我们当然也可以这么做：
class Person : Actor<Message> { protected override void Receive(Message message) { if (message.Tag == "Chat") { Person another = (Person)message.Arguments[0]; Topic topic = (Topic)message.Arguments[1]; // ... } else if (message.Tag == "Eat") { Restaurant restaurant = (Restaurant)message.Arguments[0]; // ... } else if (message.Tag == "Work") { Person reportTo = (Person)message.Arguments[0]; Job job = (Job)message.Arguments[1]; // ... } } }
图示如下：
这个方式和Erlang可谓如出一辙，但是由于缺少了Erlang的模式匹配和自动绑定，于是C#代码需要大量的if…else判断，以及繁琐而危险的转型操作。此外，和Erlang中动态类型的缺点完全相同，无论是消息的发送还是接受完全不是静态类型的，因此无论是静态检查，编辑还是重构都比较困难。试想，如果一个公用的服务所接受的消息结构改变了，那么所有用到它的地方都必须修改正确——如果缺少静态检查，错误都只能在运行时才能发现。Erlang有着强大的动态升级能力，尚可接受不断地在线更新。而在.NET平台中，如果使用这种Tag Message的方式，待到运行时发现错误，要修改起来就比较麻烦了。
强类型消息
为了避免繁琐的转型，为了获得类型安全的各种优势，我们也可以选择为每种不同的消息创建独立的类型。不过由于一个Actor往往会应对各种消息，因此在.NET环境中，往往我们需要把消息类型定义为object。如果使用ActorLite来演示的话，代码可能是这样的：
class Person : Actor<object> { protected override void Receive(object message) { if (message is ChatMessage) { ChatMessage chatMsg = (ChatMessage)message; Person another = chatMsg.Another; Topic topic = chatMsg.Topic; // ... } else if (message is EatMessage) { EatMessage eatMsg = (EatMessage)message; Restaurant restaurant = eatMsg.Restaurant; // ... } else if (message is WorkMessage) { WorkMessage workMsg = (WorkMessage)message; Person reportTo = workMsg.ReportTo; Job job = workMsg.Job; // ... } } }
图示如下：
使用if…else来进行逻辑分支判断还是必要的，不过我们这里使用了静态类型代替了Magic String（当然在使用Tag Message时也可以使用常量）的判断，同时危险而麻烦的类型转换操作也减少的。与Tag Message相比，这种做法获得了一定的类型安全优势，可以得到编译器的静态检查，做起重构来也有了依据。不过他也有比较明显的缺陷，那就是需要构建大量的消息类型。要知道消息类型的数量很可能是Actor类型数量的几倍，每种消息类型还包含着多个属性，构造函数接受参数，然后在构造函数里设置属性……这种做法对复杂性的提升还是较为可观的，有时候会感觉还不如使用简单的Tag Message。
接口、协议及消息
消息，其实是两个Actor之间定下的协议，一个Actor可以实现多种协议。这样的对应关系使人联想到.NET中的接口。因此我们可以使Actor实现某个接口，一条消息其实就是使用“委托”来告诉Actor该做什么事情。一个“委托”对象也可以自然地携带执行时所用的数据。这似乎满足我们的要求。使用这种方式来实现的消息执行大概是这样的：
interface IPersonMessageHandler { void Chat(Person another, Topic topic); void Eat(Restaurant restaurant); void Work(Person reportTo, Job job); } class Person : Actor<Action<IPersonMessageHandler>>, IPersonMessageHandler { protected override void Receive(Action<IPersonMessageHandler> message) { message(this); } #region IPersonMessageHandler Members void IPersonMessageHandler.Chat(Person another, Topic topic) { ... } void IPersonMessageHandler.Eat(Restaurant restaurant) { ... } void IPersonMessageHandler.Work(Person reportTo, Job job) { ... } #endregion }
图示如下：
使用这种方式似乎带来的许多好处，例如我们使用接口这个非常轻量级的特性实现了消息，无须编写额外的代码将消息转化为逻辑。此外，接口是强类型的，适合编译期检查，易于重构和单元测试，还为我们带来“消息组”这样一种简单的消息管理方式——似乎就是我们理想的消息执行方式啊。是啊，这是很美好的消息执行方式，但是……为什么说它“中看不中用”？
这里带来的最大问题在于耦合地过于强烈。例如Chat消息的第一个参数是Person，表示聊天的对象。但是很可能在同一个系统中，可以聊天的对象不一定仅限于是人（Person），还可能是一个机器人（Robot）；同理Work的汇报者也可能是一个记录系统。事实上，我们可能只要求Chat的目标是一个可以处理IChater消息的Actor即可，这意味着Chat方法的第一个参数的类型需要是Actor<Action<IChater>>。但是，这个Actor还需要接受其他类型的消息，如IWorkReportHandler，这又意味着它的类型需要是Actor<Action<IWorkResultHandler>>。一个Actor又如何成为两种类型？
在实际运用中，这点无法回避，因此我们必须得变。
使用“消息总线”来解耦？
风云兄提出，既然问题的关键在于强耦合，为什么不使用消息总线来解耦呢？其实这问题很容易回答。
首先，“强耦合”并不是我们想要解决的问题。我们想要解决的是“消息执行”（见文章标题）而不是“消息传递”，“强耦合”只是我们得到满意的解决方案之前所遇到的困难而已。“消息总线”是消息传递时，系统（大粒度）组件之间的解耦方式。而现在我们要解开的，是Actor这种小粒度对象之间消息传递造成的耦合。在.NET消息传递过程中，消息是一个对象，一般在框架中使用TMessage表示。例如风云兄给出的代码，TMessage即为字符串。我们的目标是如何从一个TMessage类型的对象（如字符串）分配至不同的逻辑片断——还要携带参数过去。风云兄的例子回避了这一点。
事实上，正如文章一开始所说的那样，我们文章得出的解决方案并不仅限于Actor模型，它适合各种消息传递场景——这些场景里自然包括“消息总线”的使用。关于文章的目的，“亚历山大同志”同学称之为“要在C#里面实现优雅的模式匹配的问题”。从一定角度上来说，老赵认为这个描述非常妥当，因为Erlang中模式匹配的目的便是消息执行。
其实这可能也是基于Actor模型的程序架构方式还不为人熟悉的缘故。其实“消息总线”和“Actor模型”间的关系……不大，其相似性大概也只有“消息传递”这个特性而已。但是，在Actor模型中，消息是Actor对象间通信的唯一方式。Actor模型在使用时，内存中可能产生成千上万个Actor对象，它们互相发送消息产生交互。同时，Actor可以随时被创建出来，用完后又可以随时丢弃，因此Actor之间的通信无法“预先指定”。而“消息总线”需要在运行之前进行“注册”，然后它可以控制一条消息的Subject（即目标）。如果使用消息总线来实现Actor模型的话，则必须在Actor对象创建出来以后“注册”到消息总线，然后在Actor销毁之后“解开”。这又要求消息总线拥有高效的“注册”和“解开”操作，还必须完全是线程安全的。
正是这个原因，Actor模型在使用时一般都是得到对方的引用并“直接”发送。而且，会把自己作为消息的一部分传递过去，这是为了让对方可以“直接”回复，这带来了程序设计过程中相当的灵活性。当然，这条消息可能会暂时放在Actor的队列中，等Actor空闲时再执行。这又是Actor模型的又一个特性：对于单个Actor来说，消息的执行完全是线程安全的。这大大简化了并行程序设计的难度，也是它与“共享内存”这种并行程序设计方式的区别。如果使用消息总线来实现Actor模型，它可以保证向一个Subject快速发送两条消息后，它们被依次执行吗？
因此，如乒乓测试这种简单的消息传递示例，可以使用消息总线来实现，而复杂的场景就不合适了。在下一篇文章中，老赵会使用Actor模型来实现一个相对复杂的示例：网页小爬虫。在添加功能的过程中，您一定可以更好的了解Actor模型的使用方式，以及它在并行程序设计时的优势。
支持了再看！好文！