【架构师之路】锁战争终结者：Actor与CSP如何颠覆传统并发编程？

前言

并发体系可以分为两层，上面一层是抽象的模型，下面一层是承载具体模型的技术机制。

• 模型可以分为： 共享内存模型、Actor模型、CSP模型等
• 承载模型的具体技术机制可以分为： 协程、多线程、多进程、集群分布式

常见的并发模型一般包括3类，基于线程与锁的内存共享模型，actor模型和CSP模型。

Actor和CSP模型都属于高层次的抽象模型，底层的实现可能有多种。而线程与锁（也就是共享内存）模型是较为底层的模型。

并发模型对比表

模型分类	优点	缺点	实现语言/库
共享内存模型-锁模型	• 贴近硬件架构，性能高 • 是其他并发模型的基础	• 不支持分布式内存模型 • 调试测试困难 • 需避免事务副作用	Java/C++等主流语言
共享内存模型-STM模型	• 相比锁模型更简单 • 大部分情况下更高效	• 不支持分布式内存模型	Clojure语言标准库
消息传递模型-CSP模型	• 相比锁模型更简单 • 容易实现高并发	• 不支持分布式内存模型	Go语言、Clojure的core.async库
消息传递模型-Actor模型	• 容易实现高并发 • 支持分布式内存模型（跨节点同步）	• 存在信箱满后消息丢失问题	Erlang、Java(Scala)的Akka库
事件循环(EventLoop)模型	• 单线程资源占用小 • 容易实现高并发	• 不支持分布式内存模型	Java的Netty库（搭配多路复用IO）

并发模型是指在计算中处理多个操作或任务的方式，它们通过不同的方法实现并发执行。以下是一些常见的并发模型：

常见的并发模型

1. 共享内存模型（锁模型）：

描述：

• 在共享内存模型中，多个并发执行的任务可以通过对共享内存的读写来进行通信。

特点：

• 线程之间共享内存空间。
• 通过锁机制（如互斥锁、读写锁）来保证共享数据的一致性。
• 容易出现死锁和数据竞争问题。

应用：

• 常用于多线程编程，例如在操作系统中的线程同步和通信。

比如Java中的线程之间通信由JMM控制

2. 消息传递模型：

描述：

• 在消息传递模型中，不同任务通过发送和接收消息进行通信，任务之间没有共享内存。

特点：

• 任务之间独立，通过消息传递实现通信。
• 可以提供更好的隔离性和并发性。
• 减少了共享状态可能带来的问题。

应用：

• 常用于分布式系统和消息队列等场景。

3. Actor 模型：

描述：

• Actor 模型是一种并发计算模型，系统由独立的 Actor 组成，每个 Actor 都有自己的状态和行为。

特点：

• Actor 之间通过消息传递进行通信。
• Actor 是并发执行的基本单元，异步处理消息。
• 提供了良好的隔离性和并发性。

应用：

• 常用于构建高并发系统，如分布式系统和通信系统。

4. CSP（Communicating Sequential Processes）模型：

描述：

• CSP 是一种基于通信过程的并发模型，描述并发系统中独立组件之间的通信和协作。
  

特点：

• 进程通过通道进行消息通信。
• 通信是同步的，发送者和接收者需要达成一致。
• 支持并发执行和非确定性选择。

应用：

• 常用于描述并发系统的行为和设计并发算法。

5. STM（Software Transactional Memory）模型：

描述：

• STM 是一种并发编程模型，用于简化并发系统中的共享数据访问和管理事务。

特点：

• 提供原子性、隔离性和一致性的事务处理。
• 简化了并发编程，减少了手动管理锁的复杂性。
• 适用于函数式编程语言和需要高并发性的系统设计。

6. 事件循环和异步回调（EventLoop） 模型

这种模型通常用于I/O密集型应用，如网络服务器。在这种模型中，一个中央事件循环负责监听和分发事件，如I/O操作完成或消息到达。当事件发生时，相应的回调函数被调用来处理事件。

描述：

• EventLoop 模型是一种基于事件驱动的编程模型，通过事件循环（Event Loop）来处理异步事件和任务。

特点：

• 事件驱动：程序通过注册回调函数或事件处理器来响应事件，而不是通过阻塞调用等待事件发生。
• 非阻塞 I/O：通过异步 I/O 操作，在等待 I/O 完成时允许执行其他任务，提高系统的并发性能。
• 单线程：通常 EventLoop 模型是单线程的，通过事件循环依次处理事件，避免了多线程并发带来的复杂性。
• 事件队列：事件被放置在事件队列中，EventLoop 持续轮询事件队列并处理事件。

工作原理：

• 注册事件处理器：程序将事件处理器或回调函数注册到 EventLoop 中，用于处理特定事件。
• 事件循环：EventLoop 不断轮询事件队列，当有事件发生时，调用相应的事件处理器进行处理。
• 非阻塞处理：I/O 操作通常是非阻塞的，当 I/O 操作完成时，触发相应的回调函数处理结果。
• 事件驱动：整个程序的执行流程由事件的发生和处理来驱动，提高了系统的并发性和响应性。

优点：

• 高效的并发模型：适用于处理大量并发连接和事件的场景。
• 简化编程：通过事件驱动的方式处理任务，简化了异步编程的复杂性。
• 适用于 I/O 密集型任务：在处理大量 I/O 操作时具有良好的性能。

应用：

• Web 服务器和应用程序框架中常用于处理请求和响应。
• 客户端应用中处理用户交互和异步操作。
• 实时系统和网络通信中处理事件和消息。

7. 其他模型:

还有其他并发模型，如Futures、Promise、Fork/Join、生产者消费者模型和Master-Worker模型等。这些模型提供了不同的抽象和工具，以适应特定类型的并发问题。

总结

每种并发模型都有其特定的优缺点和适用场景，选择合适的模型可以帮助开发者更有效地构建高并发、可靠的应用程序。根据具体的应用需求和上下文，开发者可以选择最匹配的并发计算模型。