Akka架构详解

1.Akka是什么

Akka是一个用Scala语言编写的库，可用于简化编写容错的、高可伸缩性的Actor模型应用。它分为开发库和运行环境，同时提供了Scala和JAVA的开发接口，可以用来构建高并发、分布式、可容错、事件驱动的基于JVM的应用。

Akka处理并发的方法基于一个并发模型设计和架构的Actor模型。在基于Actor的系统里，所有的事物都是Actor，Actor是封装了状态State和行为（Behavior）的对象，Actor之间共享信息和发起任务的机制是消息传递，它们仅仅通过交换消息（messages）实现相互通信，这些消息被放置到收件人的邮箱（Mailbox）中。当一个Actor的邮箱（也就是消息队列）收到其他Actor发送过来的消息后，Akka框架会结合Scala语言强大的模式匹配功能对消息进行处理。它先建立一个消息队列，每次收到消息后，就放入队列，而它每次也从队列中取出消息体来处理（如图5-5所示）。通常都使得这个过程是循环的，让Actor可以时刻处理发送来的消息。更深入一点说，Akka在多个Actor和系统底层之间建立了一个层次（Layer），这样一来，Actor只需要处理消息就可以了。创建和调度线程、接收和分发消息以及处理竞态条件和同步的所有复杂性，都委托给框架，框架的处理对应用来说是透明的。

图5-5 Akka的生命周期图

Akka作为一个轻量级的消息驱动系统，有五大特性：

（1）易于构建并行和分布式应用（Simple Concurrency＆Distribution）：使用Actor，应用可以异步处理请求并用独占的方式执行非阻塞操作。

（2）可靠性（Resilient by Design）：系统具备自愈能力，在本地/远程都有监护。

（3）高性能（High Performance）：在单机中每秒可发送50000000个消息。内存占用小，1GB内存中可保存2500000个Actor对象。

（4）可伸缩性（Extensible）：可以在分布式环境下进行Scale out（横向扩展），线性扩充计算能力。

（5）弹性，无中心（Elastic-Decentralized）：自适应的负责均衡。

图5-6 Akka的组织关系

2.Actor系统

在基于Actor的设计里，各个Actor以树形结构组织起来，像一个经济组织变成一个层级结构（如图5-6所示），也就是所谓的Actor系统。Actor系统的典型特点是任务拆分和委派，一个Actor可以在系统监督下完成特定的功能，比如将它的任务分解成更小，更易于管理。为达到目的，它启动一个它监督下的子Actor（child Actor）。这样做，不仅需要任务本身结构清晰，而且作为结果的Actor也必须经得起它们要处理的消息的仔细推敲，应该如何处理正常逻辑，又如何处理失败都需要仔细的推敲。如果一个Actor不具备处理某种特殊场景的能力，它会发送一个相应的故障信息给监管者来寻求帮助。递归结构，允许他们在合适层次上处理失败的消息。

在Akka里面，和Actor通信的唯一方式就是通过ActorRef。ActorRef代表Actor的一个引用，可以阻止其他对象直接访问或操作这个Actor的内部信息和状态。消息可以通过一个ActorRef以下面的语法协议中的一种发送到一个Actor：

“！”——发送消息并立即返回。

“？”——发送消息并返回一个Future对象，代表一个可能的应答。

每个Actor都有一个收件箱，用来接收发送过来的消息。收件箱有多种实现方式可以选择，默认的实现是先进先出（FIFO）队列。

Akka的Actor API中提供了每个Actor执行任务所需要的有用信息：

sender：当前处理消息的发送者的一个ActorRef引用。(www.xing528.com)

context：Actor运行上下文相关的信息和方法（例如，包括实例化一个新Actor的方法ActorOf）。

self：Actor本身的ActorRef引用。

3.Akka的容错和监管者策略

在Akka里面，一个监管者Actor对于从子孙Actor传递上来的异常的响应和处理方式称作监管者策略。在Actor系统里，每个Actor都是其子孙Actor的监管者。如果Actor处理消息时失败，它就会暂停自己及其子孙Actor并发送一个消息给它的监管者，通常是以异常的形式。

当一条消息指示有一个错误到达了一个监管者，它会采取如下行动之一：

（1）恢复子Actor（及其子孙Actor），保持内部状态。当子Actor的状态没有被错误破坏，还可以继续正常工作的时候，可以使用这种策略。

（2）重启子Actor（及其子孙Actor），清除内部状态。这种策略应用的场景和第一种正好相反。如果子Actor的状态已经被错误破坏，在它可以被用到Future之前有必要重置其内部状态。

（3）永久地停掉子Actor（及其子孙Actor）。这种策略可以用在下面的场景中：错误条件不能被修正，但是并不影响后面执行的操作，这些操作可以在失败的子Actor不存在的情况下完成。

（4）停掉自己并向上传播错误。适用场景：当监管者不知道如何处理错误，就把错误传递给自己的监管者。

而且，一个Actor可以决定是否把行动应用在失败的子孙Actor上抑或是应用到它的兄弟上。有两种预定义的策略：

1）OneForOneStrategy：只把指定行动应用到失败的子Actor上。

2）AllForOneStrategy：把指定行动应用到所有子孙Actor上。

4.本地透明性

Akka架构支持本地透明性，使得Actor完全不知道它们接受的消息是从哪里发出来的。消息的发送者可能驻留在同一个JVM，也有可能是存在于其他的JVM（或者运行在同一个结点，或者运行在不同的结点）。Akka处理这些情况对于Actor（也即对于开发者）来说是完全透明的。唯一需要说明的是跨越结点的消息必须要被序列化。

最后，为了充分发挥Akka的能力，在设计和实现系统时，有些要点值得考虑：

（1）应尽最大可能为每个Actor都分配最小的任务。

（2）Actor应该异步处理消息，不应该阻塞，否则就会发生上下文切换，影响性能。具体来说，最好是在一个Future对象里执行阻塞操作（例如IO），这样就不会阻塞Actor。

（3）要确认你的消息都是不可变的，因为互相传递消息的Actor都在它们自己的线程里并发运行。可变的消息很有可能导致不可预期的行为。

（4）由于在结点之间发送的消息必须是可序列化的，所以必须要记住消息体越大，序列化、发送和反序列化所花费的时间就越多，这也会降低性能。