图解 | 线程的麻烦事儿,Actor能解决吗?

冯诺伊曼体系中, CPU和内存居于核心的地位。

内存就像一个个的小格子,其中保存着程序要读写的值。

当只有一个线程来访问内存的时候,事情非常简单:

但是,当出现多线程的时候,就可能会出现互相覆盖的危险:

在多线程并发执行的情况下,为了得到正确的结果,必须要加锁。

看起来加锁是一件轻松的事情, 但实际上并非如此, 让我们看一个转账的例子:有两个账户,账户A和账户B, 现在有一个线程1,要从账户A给账户B转50元。

为了防止别的线程并发操作,相互覆盖,它需要加锁:

看起来没有任何问题, 但是如果还有个线程,同时要从账户B 给账户A转30元,它也采用了类似的加锁办法,就出问题了:

有个非常简单的办法来解决这个问题:对账户按次序加锁 。例如所有线程都是先对账户A加锁,然后对账户B加锁,这样死锁消除了。

看到了吧,多线程并发编程一不留神就会出错。

你以为多线程编程是这样:

实际上写出的程序是这样:

而CPU利用率很可能是“一核有难,众核围观”

锁这么麻烦,能不能不用锁?

换个思路,不把账户余额看成是简单的值,而是一个黑盒子对象:

在这个黑盒子中,保存了账户的余额200。

你想存款了,就发一个存款的消息过来,想取款就发一个取款的消息过来,发完消息就可以撤离了(异步操作)。

不管是有一个消息,还是有100个消息,统统放到黑盒子的一个队列中,然后让Account这个黑盒子一个个顺序处理, 对余额进行增加或减少。

外界无法看到余额,只能通过消息和这个黑盒子交互,黑盒子内部顺序处理,自然不用加锁。

这个黑盒子,就是Actor。

试一试用Actor方式来实现转账, 看看和之前有什么不同:

“转账 Actor” 收到转账50元的消息, 向账户A发送取出50元的消息, 向账户B发出存入50元的消息。

然后账户A 和 账户B 收到消息,进行处理。

非常清晰,根本不用锁, 每个Actor都是独立的个体,它们之间靠消息交互就行了。

可是,在转账过程中,如果有别的线程对账户A也做了操作,导致账户A余额不足,抛出了异常, 但是账户B继续存入50元,那这个转账其实就出错了!

这时候,我们想到了什么?对,就是事务的原子性:要么不做,要么全做。

所以需要让这些Actor支持事务,这可真是有点麻烦,因为Actor之间是独立的,消息的发送是异步的,现在转账却要求存入和取出两个操作需要同步进行,并且满足原子性。

世界上果然没有免费的午餐。

这里边要解决两个问题:

  1.  账户A和账户B的Actor 需要互相等待,直到存入和取出的操作都完成,有任何一个没完成(如抛出异常),就要回滚。

  2. 由于消息发送都是异步的,在执行一个事务的时候,可能有其他消息放入消息队列,并且被处理,账户A和账户B的余额不断地被改变,需要处理这种不断变化的情况。

可以参考下大名鼎鼎的CAS的原理,每个事务开始的时候,记录下原始的值,在提交的时候和当前值进行比较,如果相同,表示在这段时间内没有修改,提交成功。否则,读取当前的值,重做事务中的操作:

没有加锁,就是不断地在尝试,由于数据都是在内存中操作,频繁地尝试也不是什么大问题(在并发冲突不是很激烈的情况下)

用这种方式实现的事务, 做软件事务内存(Software Transactional Memory),简称STM。

总结一下,Actor看起来简单,对于单个账户操作来说,是个很美妙的模型,因为账户之间是隔离的。 但是对于一致性要求比较高的场景,如转账,Actor模型就显得有些笨拙了。


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