并发编程（9）——Actor/CSP设计模式
文章目录
- 九、day9
- 1. Actor设计模式
- 2. CSP设计模式
- 2.1 使用C++实现CSP
- 2.2 通过CSP实现ATM取款逻辑
九、day9
在并发编程中，多个线程可能需要同时访问相同的内存资源。为了防止不同线程之间的资源冲突，传统并发设计方法通常使用共享内存和加锁机制来确保线程安全。例如，当一个线程在修改共享数据时，其他线程会被“锁住”，无法同时访问该数据。但是传统并发设计方法在频繁加锁的情况下会带来性能开销，降低系统的执行效率；并且共享内存加锁方式要求线程之间对共享数据有很强的依赖关系，这种依赖增加了代码的复杂性和耦合度，使代码难以维护。
新的设计模式：
- Actor模式：Actor模式通过消息传递的方式来实现线程间通信。每个Actor都有自己的状态和行为，它们通过发送消息来完成交互，而不需要共享内存。这种方式避免了加锁的复杂性和性能损耗。
- CSP（Communicating Sequential Processes）模式：CSP模式也是通过消息传递进行通信，但它强调线程（或进程）之间的严格隔离。各个线程通过通道（Channel）来传递消息，而不直接共享状态，避免了竞争条件和加锁问题。
参考：
博主恋恋风辰的个人博客
1. Actor设计模式
Actor模型的设计模式有以下几个核心要素：
- 独立的Actor：每个Actor是独立的个体，拥有自己的状态和行为。Actor之间不共享状态，从而消除了并发编程中的数据共享问题。
- 异步消息传递：Actor之间不直接调用方法，而是通过消息传递来通信。消息传递是异步非阻塞的，发送方不需要等待接收方完成处理，而是立即继续执行自己的任务，避免了阻塞等待带来的性能问题。
- 顺序消息处理：每个Actor都有一个“邮箱”或“消息队列”，它接收来自其他Actor的消息，并按照顺序缓存起来。Actor处理消息时会从邮箱中取出一条消息并执行相应的操作，并且每个Actor一次只同步能处理一个消息（处理过程中，除了可以接受消息外，不能左任何其他无关操作），保证了消息处理的原子性。Actor在处理消息时不会被其他消息打断，也不会与其他Actor竞争资源，从而减少了并发问题。
- 无共享状态：由于Actor之间不共享数据，只能通过消息传递来交互，因此大大降低了并发编程中的数据竞争和死锁等复杂性。
- 单线程：每个Actor在独立的线程中运行，Actor之间通过消息队列来通信。例如，Actor1向Actor2发送消息时，消息会投递至Actor2的队列中，Actor2从队列中取出消息并进行处理。这种设计就像邮件通信一样，一个Actor向另一个Actor“投递”一条消息，接收的Actor从“邮箱”中取出消息进行处理。
如下图所示：
因为Actor之间不共享数据，只能通过消息传递来交互，因此大大降低了并发编程中的数据竞争和死锁等复杂性。我们需要维护的只有每个Actor接受消息的消息队列，只有保证是线程安全的消息队列即可。
之前不管是在网络编程逻辑层消息队列（多个服务线程向逻辑线程消息队列投递消息）设计中，还是在并发编程学习关于条件变量相关知识中，都实现了线程安全的消息队列，可参考：
- 逻辑层 消息队列设计
- 条件变量实现线程安全的消息队列
2. CSP设计模式
CSP（Communicating Sequential Processes，通信顺序进程）由英国计算机科学家 Tony Hoare 在1978年提出，用于描述两个独立的并发实体通过共享的通讯 channel(管道)进行通信的并发模型。
**CSP（通信顺序进程）**模式将channel视为一等公民（第一类对象），其主要关注点在于通信的通道，而非发送或接收消息的实体。与Actor模型关注"谁在发送或接收消息"不同，CSP更侧重于"通过什么渠道传递消息"，即强调通信本身而非通信双方的具体实现。
在CSP中，channel被用作不同进程之间的通信媒介。进程通过channel发送和接收消息来进行同步和数据传递，channel承担了中介的角色。与Actor模型中由每个Actor维护自己的邮箱不同，CSP模型允许进程通过共享的channel进行直接通信（CSP将消息投递给channel，至于谁从channel中取数据，谁从channel中发数据，发送的一方和接收的一方是不关注的）。CSP模型不关心消息从哪来或到哪去，只关心消息是通过哪个channel传递的。这种设计实现了进程的解耦，并且允许进程通过共享channel来实现安全的同步通信。
简单来说，Actor在发送消息前必须知道接收方是谁，而接受方收到消息后也需知道发送方是谁，更像是邮件的通信模式。而csp是完全解耦合的，不关心消息从哪来或到哪去，只关心消息是通过哪个channel传递的。
2.1 使用C++实现CSP
#include <iostream>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>template <typename T>
class Channel {
private:std::queue<T> queue_;std::mutex mtx_;std::condition_variable cv_producer_;std::condition_variable cv_consumer_;size_t capacity_;bool closed_;
public:Channel(size_t capacity = 0) : capacity_(capacity), closed_(false) {}bool send(T value) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_);cv_producer_.wait(lock, [this]() {// 对于无缓冲的channel，我们应该等待直到有消费者准备好return (capacity_ == 0 && queue_.empty()) || queue_.size() < capacity_ || closed_;});if (closed_) {return false;}queue_.push(value);cv_consumer_.notify_one();return true;}bool receive(T& value) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_);cv_consumer_.wait(lock, [this]() { return !queue_.empty() || closed_; });if (closed_ && queue_.empty()) {return false;}value = queue_.front();queue_.pop();cv_producer_.notify_one();return true;}void close() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_);closed_ = true;cv_producer_.notify_all();cv_consumer_.notify_all();}
};
-
类的成员变量
std::queue<T> queue_: 存储发送到 channel 的消息的队列。std::mutex mtx_: 互斥锁，用于保护共享资源（消息队列）避免多线程的竞争。std::condition_variable cv_producer_: 用于控制生产者（send操作）线程的条件变量。std::condition_variable cv_consumer_: 用于控制消费者（receive操作）线程的条件变量。size_t capacity_: 表示 channel 的容量。如果capacity_为 0，则表示这是一个无缓冲的 channel，如果没有缓冲，那就相当于同步应用，生产者放入数据后生产者马上就会取。bool closed_: 表示 channel 是否已关闭。true表示 channel 已关闭，无法再发送消息。
-
send方法：向 channel 发送消息bool send(T value) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_);cv_producer_.wait(lock, [this]() {return (capacity_ == 0 && queue_.empty()) || queue_.size() < capacity_ || closed_;});if (closed_) {return false;}queue_.push(value);cv_consumer_.notify_one();return true; }主要步骤是通过条件变量挂起当前线程，若当前线程被唤醒，并且满足判断条件，则继续执行下面的代码，过程如下
使用
cv_producer_.wait等待以下条件之一：- 无缓冲 channel 且队列为空：只有当无缓冲 channel 且没有未消费的消息时，才能继续执行
send的代码。 - 缓冲 channel 且队列未满：缓冲 channel 时，只有队列中消息数量小于
capacity_时才能继续send。 - channel 已关闭：如果
closed_为true，不再等待，直接返回。
将数据
push至消息队列，并唤醒消费者进行消费 - 无缓冲 channel 且队列为空：只有当无缓冲 channel 且没有未消费的消息时，才能继续执行
-
receive方法：从 channel 接收消息bool receive(T& value) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_);cv_consumer_.wait(lock, [this]() { return !queue_.empty() || closed_; });if (closed_ && queue_.empty()) {return false;}value = queue_.front();queue_.pop();cv_producer_.notify_one();return true; }若当前线程被唤醒，并且满足队列不为空或者closed_为true任意之一时，继续执行
receive下面的代码；如果不满足，线程继续挂起，等待被再次唤醒；消息从队列弹出后，唤醒生产者线程生产；
注意，这里从消息队列中
receice相当于之前通过条件变量实现的线程安全的消息队列中的pop函数，这个对引用进行赋值，必须先将消息队列中的值赋值给引用对象，然后才能从消息队列中弹出。这是为了防止内存爆炸造成的数据丢失，具体分析可以参考我之前写的文章：条件变量实现线程安全的消息队列 -
close方法：用于关闭 channelvoid close() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_);closed_ = true;cv_producer_.notify_all();cv_consumer_.notify_all(); }将判断变量
closed_置为true，表示直接退出，然后使用notify_all()唤醒全部工作线程。 -
测试
int main() {Channel<int> ch(10); // 10缓冲的channelstd::thread producer([&]() {for (int i = 0; i < 5; ++i) {ch.send(i);std::cout << "Sent: " << i << std::endl;}ch.close();});std::thread consumer([&]() {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500)); // 故意延迟消费者开始消费int val;while (ch.receive(val)) {std::cout << "Received: " << val << std::endl;}});producer.join();consumer.join();return 0; }创建一个有 10 个缓冲的
Channel<int>类型的对象ch：- 最多可以存储 10 个未被消费的数据。
- 生产者可以最多连续发送 10 条数据，而无需等待消费者立即接收（消费者可以等一会儿再继续消费）。
- 缓冲区满后，生产者会暂停（若缓冲区满后，除了将
closed_置为true外，不满足任何判断条件可以退出线程等待），直到消费者消费一些数据，从而腾出空间。
创建并启动生产者线程：
- 在循环中，将值
i发送到ch，并在控制台输出 “Sent:i”。 - 生产者线程发送 5 个值（0 到 4），每发送一个值后会打印一次。
- 发送完成后，调用
ch.close()，通知 channel 已关闭，表示生产者不再发送数据。
创建并启动消费者线程：
- 线程开始后延迟 500 毫秒，模拟消费者稍后开始消费的情况。
- 进入循环，尝试从
ch接收数据（因为在生产者从队列插入数据后，会唤醒消费者线程进行消费）。若receive成功接收到值，则输出 “Received:val”。 - 当 channel 关闭并且所有消息都已被消费后，
receive将返回false，使得循环结束。
这里有一个问题需要注意：消费者线程是在生产者线程结束之后才运行的（消费者线程延迟500ms），那么就没有代码唤醒消费者线程，为什么消费者线程可以正常运行？
在生产者线程调用
ch.send(i)时，send方法的最后一行是cv_consumer_.notify_one();，它会在成功推送数据到queue_后通知等待的消费者线程。这一行为虽然发生在消费者进入等待状态（500 毫秒后）之前，但notify_one()的通知会被记录下来。这种行为在
condition_variable的底层实现中是合理的：在消费者延迟执行后调用cv_consumer_.wait()时，条件变量会再次检查predicate。如果queue_已有数据（即!queue_.empty()），则判断条件predicate为true，消费者线程就会立即获取消息并继续执行，而不会阻塞。这是因为当消费者线程进入
wait时，它会首先检查判断条件是否满足，如果条件已经为true，消费者不再等待，而是直接继续执行。并不是唤醒线程后才会检查，而是调用wait函数后会立即检查判断条件，然后每次被唤醒再次检查。测试代码
输出结果为：
Sent: 0 Sent: 1 Sent: 2 Sent: 3 Sent: 4 Received: 0 Received: 1 Received: 2 Received: 3 Received: 4如果将缓冲
capacity_设为0的话，就相当于同步应用，生产者放入数据后生产者马上就会取。测试代码
输出结果为：
Sent: 0 Received: 0 Sent: 1 Received: 1 Sent: 2 Received: 2 Sent: 3 Received: 3 Sent: 4 Received: 4
2.2 通过CSP实现ATM取款逻辑
整体逻辑如上图所示。
代码可参考：代码