译者注:
1.对象分为主动对象和被动对象,主动对象内部包含一个线程,能够自动完成动做或改变状态,而通常的被动对象只能经过被其余对象调用才有所做为。在多线程程序中,常常把一个线程封装到主动对象里面。
2.在翻译过程当中,发现的原文不妥处被更正。
3.原文中许多内容一再重复,很有蛇足之感,取精用宏,删繁就简。
4.尝试更高程度的意译。设计模式
关键词
这个文章介绍主动对象模式,主动对象是内部拥有本身的控制线程的对象。为了简化异步调用的复杂性,这个模式分离了方法的执行和调用。使用这个模式,一个对象中不管是否有独立的线程,客户从外部访问它时,感受是同样的。生产者/消费者,读者/写者,这两个应用普遍的模型中,这种策略很是适合。这个模式经常使用在多线程的,分布式系统中。另外,一些客户端应用,如:视窗系统和网络浏览器,也可使用主动对象模式,对并行的、异步调起的IO操做简化处理。数组
1 目的浏览器
主动对象模式隔离了方法执行和方法调用的过程,提升了并行性,对内部拥有控制线程的主动对象,下降了异步访问的复杂性。缓存
2 别名安全
并行行为对象(ConcurrentObjectandActor)网络
3 例子数据结构
为了说明主动对象模式,考虑一个通讯网关的设计。网关隔离互相协做的多个组成单元,让交互过程不直接依赖于对方。参照图1,一个分布式系统中,来自多个生产者(卫星设备)的消息,被网管转发给多个消费者(局域网内的主机)。多线程
咱们的例子中,生产者和消费者使用TCP协议通讯,这是面向链接的通讯协议。网关上的进程向消费者发送数据时,操做会发生阻塞。这是由于,网络传输能力有限,TCP进行流量控制,防止过量的数据不能及时缓冲和处理。并发
要提升总体的效率,网关处理进程不能因一个链接上的阻塞而等待。另外,当生产者和消费者的数目增长的时候,整个进程必须相应的增长处理能力(译者注:经过增长处理线程)。app
一个提升性能的有效方法,就是使用并行。应用并行后,服务对象拥有独立线程,线程实际完成操做,和方法调用的过程分开。而且,不一样线程处理不一样TCP链接,一个链接上的线程被阻塞,不会影响到其余链接的线程。
4 场景
对象的访问者(Client,下统称为客户)和对象的实如今不一样的线程中。
5 问题
许多应用场景,服务者并行处理多客户端的请求,提升服务的质量(QoS)。被动对象在客户线程中完成操做过程,主动对象使用专用的线程完成。一个对象的数据被多个线程共享时,必须处理好线程的同步。这致使三个约束。
1.对一个对象调用不能阻塞整个进程,不能影响其余线程的执行:好比,通讯网关的例子中,一个TCP链接上的数据传送被阻塞,整个进程仍然能继续处理。一样,其余没有被阻塞的网络链接,应该正常的发送数据。
2.对共享对象同步访问的逻辑应该简化:客户在使用共享对象地时候,若是面对底层的同步机制,必须记得先要获取互斥锁,后要释放互斥锁,编码就比较麻烦。通常状况,共享对象的方法隐藏这些细节,当多个客户线程访问同一个对象时,这些约束是透明的。
3.存在能够平行进行的操做,设计成同时执行:在通讯网关的例子中,同时使用多个TCP链接给不一样的消费者发送数据。若是网关的进程在单个线程上执行,及时使用多个处理器不能明显的提升性能。
6 方案
对每个要求并发执行的对象,分离其方法的调用和执行。这样,这个对象的客户就像是调用一个常规的方法同样。这个方法,自动把任务交给另外的线程完成执行。
主动对象的组成:一个代理者(Proxy)实现外部的访问接口;一个执行者(Servant)。代理和执行者在不一样的线程执行,分离方法调用和执行的过程:代理者在客户线程中被调用执行,执行者在另外的线程完成操做。运行时,代理者把客户的调用信息封装“调用请求”(MethodRequest),经过调度者(Scheduler)把这个请求放到一个活动队列(ActivationQueue)。调度者和执行者运行在另外的线程中,这个线程启动后,不断地从活动队列中获得“调用请求”对象,派发给执行者完成客户请求的操做。客户调用代理者后立刻获得一个预定容器(Future),从此能够经过这个预定容器获得返回的结果。
7 结构
下面使用Booch风格的类图,对主动对象的组成结构进行说明。(译者注:这是Booch在《面向对象的分析和设计》书中使用的类图风格)
在这个模式中,共有六个参与者。
代理者(Proxy)
代理者定义了被客户调用的接口。这个接口是函数调用的方式,而不是像传统线程通讯,使用数据传递的方式。当函数被调用的,代理者构造一个“调用请求”对象,并把它放到活动队列中,这一切都发生在客户线程中。
调用请求(MethodRequest)
“调用请求”用来保存相关函数调用的部上下文信息,好比函数标识,函数的参数,这些信息将在不一样线程间传递。一个抽象的“调用请求”类,定义了执行活动对象方法的接口Call。而且包含一个Guard函数,Guard用来检查调用的条件是否知足。对代理者提供的每个主动对象方法,在访问其执行者的时候须要条件判断。代理者被调用的时候会建立具体“调用请求”对象,对象中包含了执行这个方法必须的参数和数据的返回方式。
活动队列(ActivationQueue)
这个队列维护了一个缓冲区(译者注:不必定是先进先出的队列),缓冲区中存放了待执行的“调用请求”。正是这个队列分离可客户线程和执行操做的线程。
调度者(Scheduler)
调度者管理活动队列。调度者决定队列中的哪个调用请求先被执行。调度的决定可能决定与多个规则:关键字顺序,入队的顺序,要知足的执行条件或等待发生的事件,如:在一个数据结构中出现空闲区。调度者使用Guard方法的调用,来检查是否知足执行条件。
执行者(Servant)
真正完成操做的对象。执行者实际完成代理者定义的主动对象方法,响应一个“调用请求”。调度者给“调用请求”分派一共执行者,而后调用“调用请求”中的Call方法。对应的执行者的方法将被调用。执行者的方法运行在调度者的线程中。执行者可能同时提供了一些方法供“调用请求”实现Guard。
预定容器(Future)
当执行者完成操做,客户经过预定容器获取返回结果。当客户调用代理者的方法后,一共空预定容器立刻返回。预定容器指向一块内存空间,用来保存返回结果。客户能够经过轮训或阻塞调用的方法,经过预定容器获得返回结果。
8 运行
下面的图说明了一个调用过程当中的三个阶段。
注×:原图中“enqueue(M1)”的位置有误,入队操做应该在返回Future以前,本图已经更正。黄色表现客户线程空间,绿色表示调度者线程空间。
1.构造“调用请求”:在这个阶段,客户调用代理者的一个方法m1()。“调用请求”对象被建立,这个对象中包含了全部的参数。代理者把这个“调用请求”对象传递给调度者,调度者把它入队到活动队列。若是方法m1()有返回值,就返回一个预定容器(Future),不然不返回。
2.调度执行:调度者的执行线程中,监控活动队列,当队列中的一个请求知足执行条件时,调度者把它出队,把一个执行者绑定到这个请求上。而后经过“调用请求”的Call方法,Call再调用执行者的m1(),完成客户请求的操做。
3.完成:在这个阶段,若是有返回值,就把返回值存储到对应的预定容器中。而后调度者线程继续在活动队列中查找下一个要执行的“调用请求”。客户就能够在预定容器中找到返回值。当“调用请求”和“预定容器”不在使用的时候,注意销毁,防止内存漏洞。
9 实现
这一节说明一个主动对象模式使用的过程。这个应用是上面例子的部分实现。图2说明了各个组成部分。这节的例子,使用到了ACE框架的可重用组件。ACE提供了丰富的包装器和框架组件,用来完成软件间的通讯任务,而且ACE是跨平台的。
1.执行者的实现:咱们的例子中,执行者是个消息队列,用来缓冲发送到消费者的消息。对每个远程的消费者,对应一个ConsumerHandler,Handler中包含一个到消费者进程的TCP链接(译者注:每个主动对象要包装一个ConsumerHandler)。每个ConsumerHandler对应的活动对象缓存的消息(译者:经过活动队列缓存“请求调用“的方式缓存消息),是从生产者发给网关的,而且等待网关把它发送给对应的消费者。下面的类定义了执行者的接口。
class MQ_Servant { public: MQ_Servant (size_t mq_size); // 消息队列实现的操做 void put_i (const Message &msg); Message get_i (void); // 状态检查 bool empty_i (void) const; bool full_i (void) const; private: // 内部队列的实现,多是循环数组,链表之类 };
put_i和get_i实现队列的插入和删除操做。另外的两个函数,empty_i和full_i用来检查队列的状态,队列共有三种状态,(1)空,(2)满,和(3)非空非满。这两个函数将帮助实现“调用请求”的Guard()。
注意,执行者MQ_Servant把线程同步的任务交给了外部。在咱们的例子中,MQ_Servant没有包含任何线程同步的代码。这个类仅提供了检查其内部状态的方法。这种设计避免了“Inheritance anomaly”(继承反常)问题:若是规定了同步实现,会制约MQ_Servant被重用。而这样,同步方式的改变不影响MQ_Servant的实现(译者:放下即自在)。
2.代理者和“调用请求”的实现:例子中,代理者MQ_Proxy提供了和执行者MQ_Servant同样的接口函数。另外,代理MQ_Proxy又是一个创造“调用请求”对象的工厂。下面是它的C++代码。
class MQ_Proxy { public: // 消息队列的长度 enum { MAX_SIZE = 100 }; MQ_Proxy (size_t size = MAX_SIZE) : scheduler_ (new MQ_Scheduler (size)), servant_ (new MQ_Servant (size)) {} // 调度<put> 在活动对象上执行 void put (const Message &m) { Method_Request *method_request = new Put (servant_, m); scheduler_->enqueue (method_request); } // <Get>返回预定容器:Message_Future Message_Future get (void) { Message_Future result; Method_Request *method_request = new Get (servant_, result); scheduler_->enqueue (method_request); return result; } // ... empty() and full() 用来检查队列状态 protected: // 实际完成操做的执行者 MQ_Servant *servant_; // 调度者 MQ_Scheduler *scheduler_; };
虚拟基类Method_Request,定义了“调用请求”的接口:
class Method_Request { public: // 检查是否准备好 virtual bool guard (void) const = 0; // 执行操做 virtual void call (void) = 0; };
不一样的请求,使用不一样的子类定义
class Put : public Method_Request { public: Put (MQ_Servant *rep, Message arg) : servant_ (rep), arg_ (arg) {} virtual bool guard (void) const { // 约束检查 return !servant_->full_i (); } virtual void call (void) { // 插入消息 servant_->put_i (arg_); } private: MQ_Servant *servant_; Message arg_; };
上面的Guard函数,使用了MQ_Servant的full_i函数实现。
另一个“调用请求”子类:
class Get : public Method_Request { public: Get (MQ_Servant *rep, const Message_Future &f) : servant_ (rep), result_ (f) {} bool guard (void) const { // Synchronization constraint: // cannot call a <get_i> method until // the queue is not empty. return !servant_->empty_i (); } virtual void call (void) { // Bind the dequeued message to the // future result object. result_ = servant_->get_i (); } private: MQ_Servant *servant_; // Message_Future result value. Message_Future result_; };
这个对象要使用预定容器,处理最终返回的结构。其内部保存了预定容器。
3.活动队列的实现:每个“调用请求”。一个典型的实现,是一个线程安全的缓冲区。通常还要实现遍历其元素的循环子(Iterator)。下面是本例的C++实现。
class Activation_Queue { public: // Block for an "infinite" amount of time // waiting for <enqueue> and <dequeue> methods // to complete. const int INFINITE = -1; // Define a "trait". typedef Activation_Queue_Iterator iterator; // Constructor creates the queue with the // specified high water mark that determines // its capacity. Activation_Queue (size_t high_water_mark); // Insert <method_request> into the queue, waiting // up to <msec_timeout> amount of time for space // to become available in the queue. void enqueue (Method_Request *method_request, long msec_timeout = INFINITE); // Remove <method_request> from the queue, waiting // up to <msec_timeout> amount of time for a // <method_request> to appear in the queue. void dequeue (Method_Request *method_request, long msec_timeout = INFINITE); private: // Synchronization mechanisms, e.g., condition // variables and mutexes, and the queue // implementation, e.g., an array or a linked // list, go here. // ... };
入队和出队的操做,是经典的“生产者、消费者”模型。很容易实现互斥访问。
4.调度者的实现:调度者要通常实现一个入队操做。调度执行线程函数。通常做为静态函数存在,调用dispatch,实现调度执行线程。
class MQ_Scheduler { public: // Initialize the Activation_Queue to have the // specified capacity and make the Scheduler // run in its own thread of control. MQ_Scheduler (size_t high_water_mark); // ... Other constructors/destructors, etc., // Insert the Method Request into // the Activation_Queue. This method // runs in the thread of its client, i.e., // in the Proxy’s thread. void enqueue (Method_Request *method_request) { act_queue_->enqueue (method_request); } // Dispatch the Method Requests on their Servant // in the Scheduler’s thread. virtual void dispatch (void); protected: // Queue of pending Method_Requests. Activation_Queue *act_queue_; // Entry point into the new thread. static void *svc_run (void *arg); };
例子中,线程的启动和活动队列的建立都在调度者的构造函数里面:
MQ_Scheduler (size_t high_water_mark) : act_queue_ (new Activation_Queue (high_water_mark)) { // Spawn a separate thread to dispatch // method requests. Thread_Manager::instance ()->spawn (svc_run, this); }
线程函数很是简单,就是调用Dispatch:
void * MQ_Scheduler::svc_run (void *args) { MQ_Scheduler *this_obj = reinterpret_cast<MQ_Scheduler *> (args); this_obj->dispatch (); }
Dispatch的实现以下:
virtual void MQ_Scheduler::dispatch (void) { // Iterate continuously in a // separate thread. for (;;) { Activation_Queue::iterator i; // The iterator’s <begin> call blocks // when the <Activation_Queue> is empty. for (i = act_queue_->begin (); i != act_queue_->end (); i++) { // Select a Method Request ‘mr’ // whose guard evaluates to true. Method_Request *mr = *i; if (mr->guard ()) { // Remove <mr> from the queue first // in case <call> throws an exception. act_queue_->dequeue (mr); mr->call (); delete mr; } } } }
5.异步调用之后,客户对返回结果的检测。调用活动对象的客户,如何获取和处理返回值?这有不一样的策略。有下面三种返回值策略。
1)同步调用,阻塞等待。客户线程阻塞,一直到操做完成、数据返回。
2)同步调用,限时等待。客户线程阻塞,一直到数据返回、数据返回或者发生超时。
3)异步调用。预定容器对象,提供某种异步方式返回数据或执行失败信息。
预定容器种的空间,被多个线程共享,当全部的线程都再也不使用的时候,才能被清空内存。要特别注意。
在咱们的例子种,Message_Future以下定义:
class Message_Future { public: // Copy constructor binds <this> and <f> to the // same <Message_Future_Rep>, which is created if // necessary. Message_Future (const Message_Future &f); // Constructor that initializes <Message_Future> to // point to <Message> <m> immediately. Message_Future (const Message &m); // Assignment operator that binds <this> and <f> // to the same <Message_Future_Rep>, which is // created if necessary. void operator= (const Message_Future &f); // ... other constructors/destructors, etc., // Type conversion, which blocks // waiting to obtain the result of the // asynchronous method invocation. operator Message (); };
可使用引用计数的方法,处理Message的清除。
客户经过预定容器获取数据的两种方式:
当即方式:
MQ_Proxy mq; // ... // Conversion of Message_Future from the // get() method into a Message causes the // thread to block until a message is // available. Message msg = mq.get (); // Transmit message to the consumer. send (msg);
延迟方式:
// Obtain a future (does not block the client). Message_Future future = mq.get (); // Do something else here... // Evaluate future in the conversion operator; // may block if the result is not available yet. Message msg = Message (future);
10 完成的例子
通讯网关程序内部,包含生产者(Supplier)和消费者(Consumer)的Handler,它们分别是远程生产者和远程消费者的代理。以下面的图3所示,生产者的Handler从远程设备上接收消息,分析消息中的地址,根据消息中的地址查找路由表,肯定哪个远程的消费者应该接收这个消息。路由表维护地址到消费者Handler的影射关系。每一个消费者的Handler实际经过对应的TCP链接把数据送出。
每个消费者Handler使用上面讲的主动对象的模式,内部包含一个消息队列(译者:经过保存“调用请求”的活动队列间接实现了消息的缓存)。来实现消息的异步发送。
class Consumer_Handler { public: Consumer_Handler (void); // Put the message into the queue. void put (const Message &msg) { message_queue_.put (msg); } private: // Proxy to the Active Object. MQ_Proxy message_queue_; // Connection to the remote consumer. SOCK_Stream connection_; // Entry point into the new thread. static void *svc_run (void *arg); };
生产者的Handler,使用下面的方式,给消费者发送消息。
Supplier_Handler::route_message (const Message &msg) { // Locate the appropriate consumer based on the // address information in the Message. Consumer_Handler *ch = routing_table_.find (msg.address ()); // Put the Message into the Consumer Handler’s queue.ch->put (msg); };
消费者的Handler,就是Cosumer_Handler,在构造函数里面建立其调度处理线程。
Consumer_Handler::Consumer_Handler (void) { // Spawn a separate thread to get messages // from the message queue and send them to // the consumer. Thread_Manager::instance ()->spawn (svc_run, this); }
下面是消费者Handler的线程函数的实现
void * Consumer_Handler::svc_run (void *args) { Consumer_Handler *this_obj = reinterpret_cast<Consumer_Handler *> (args); for (;;) { // Conversion of Message_Future from the // get() method into a Message causes the // thread to block until a message is // available. Message msg = this_obj->message_queue_.get (); // Transmit message to the consumer.this_obj->connection_.send (msg); } }
当一个消费者的网络传送被阻塞的时候,只会阻塞其对应的线程,不会影响到其它消费者的Handler的处理。
11 变化
集成的调度者:
在实现主动对象模式的时候,为了减小对象的个数。能够把代理者和执行者的角色都分派到调度者身上。甚至“调用请求”的Call函数也能够由调度者实现。好比下面的代码,消息队列例子的集成实现方式。
class MQ_Scheduler { public: MQ_Scheduler (size_t size) : act_queue_ (new Activation_Queue (size)) {} // ... other constructors/destructors, etc., void put (const Message &msg) { Method_Request *method_request = // The <MQ_Scheduler> is the servant. new Put (this, msg); act_queue_->enqueue (method_request); } Message_Future get (void) { Message_Future result; Method_Request *method_request = // The <MQ_Scheduler> is the servant. new Get (this, result); act_queue_->enqueue (method_request); return result; } // ... private: // Message queue servant operations. void put_i (const Message &msg); Message get_i (void); // Predicates. bool empty_i (void) const; bool full_i (void) const; Activation_Queue *act_queue_; // ... };
这样集成后,减小了组件,实现更加简化。固然,这样也带来了缺点,调度者必须知道代理者和执行者的具体类型,具体实现。这样就很难在不一样的活动对象中,重用调度者。
消息的直接传递:
更近一步的简化,代理者和执行者都删除掉。在客户线程和调度者线程之间直接使用数据的方式传递消息。
class Scheduler { public: Scheduler (size_t size) : act_queue_ (new Activation_Queue (size)) {} // ... other constructors/destructors, etc., // Enqueue a Message Request in the thread of // the client. void enqueue (Message_Request *message_request) { act_queue_->enqueue (message_request); } // Dispatch Message Requests in the thread of // the Scheduler. virtual void dispatch (void) { Message_Request *mr; // Block waiting for next request to arrive. while (act_queue_->dequeue (mr)) { // Process the message request <mr>. } } protected: Activation_Queue *act_queue_; // ... };
由于没有了代理者,客户直接建立“调用请求”对象,而后调用调度者的函数把它入队到活动队列。一样的,没有了执行者,调度者的线程,在活动队列中获得请求,直接执行完成。
通常来讲,这样这样实现的一个消息传递的机制,比实现一个主动对象要简单的多。消息传递这种复杂的逻辑直接暴露给其客户,不但增长开发的难度,还容易滋生BUG,这样想来,不如把这种逻辑封装在主动对象的内部。具体如何选择,根据实际状况和本身的喜爱而定。
预定容器的泛型实现:
一个泛型的预定容器可使用返回值的类型进行定制。预定容器实现了一个一次写屡次读的同步机制。当容器中的值尚未准备好的时候,客户的访问操做被阻塞。这个泛型预定容器,部分实现了读者/写者模型,又部分实现了生产者/消费者模型。
下面是C++模板实现的例子
template <class T> class Future { // This class implements a ‘single write, multiple // read’ pattern that can be used to return results // from asynchronous method invocations. public: // Constructor. Future (void); // Copy constructor that binds <this> and <r> to // the same <Future> representation Future (const Future<T> &r); // Destructor. ~Future (void); // Assignment operator that binds <this> and // <r> to the same <Future>. void operator = (const Future<T> &r); // Cancel a <Future>. Put the future into its // initial state. Returns 0 on success and -1 // on failure. int cancel (void); // Type conversion, which obtains the result // of the asynchronous method invocation. // Will block forever until the result is // obtained. operator T (); // Check if the result is available. int ready (void); private: Future_Rep<T> *future_rep_; // Future representation implemented using // the Counted Pointer idiom. };
这个模板能够以下使用:
// Obtain a future (does not block the client). Future<Message> future = mq.get (); // Do something else here... // Evaluate future in the conversion operator; // may block if the result is not available yet. Message msg = Message (future);
分布式活动对象:
代理者和调度者之间跨过网络。代理者把要把“调用请求”对象序列化,而后经过网络传输给另外机器上的调度者,调度者接收并再造“调用请求”对象。
使用线程池:
使用线程池,可让一个活动对象支持多个执行者。多个执行者提供相同的服务。每个执行者运行在不一样的线程中,由调度者统一调度,当有新的请求时,调度者立刻安排一个工做线程工做。
12 已知的应用
1.CORBAORBS
2.ACEFramework
3.SiemensMedCom
4.SiemensCallCentermanagementsystem:
5.Actors
译者:此节只列出他们的名字,感兴趣的同志请参考原文。和看《设计模式》的时候状况同样,我不太关注这一节。
13 后果
有下面的好处:
1.加强了程序的并行性,下降了同步的复杂性。客户线程和异步调起操做并行执行。同步的复杂性由调度者独立处理。
2.让多个耗时的操做并行执行。只要软件和硬件支持,可让多个活动的对象彼此不干扰地同时运行。
3.方法的执行和调用的顺序能够不一致。方法的调用是异步调用。而方法的执行决定于如何调度。
固然,主动对象也有如下负面的影响
1.性能过多消耗:系统消耗的程度决定于调度者的实现。用户态和系统态的上下文切换,同步信号的时候,数据的传送都会带来消耗。通常说来,主动对象模式适合大粒度的对象,对很小的对象使用这个模式容易带来性能的过分消耗。请和其它并发模式比较如监控者模式。
2.增长调试的难度:并发的复杂和调度的不可预测,会增长调试的困难。而且,许多调试工具都不能彻底的支持并发程序的调试。
14 更多相关模式
译者:这些模式许多我还也没有接触,准备逐个学习,高兴的话还会翻译
监控者(Monitor)模式使用后,不管多少线程对一个被动对象调用,保证同时只有一个在实际执行。由于更少的上下文切换和数据传递,这个模式比主动对象效率告。但此模式较难把客户和服务线程分布在不一样机器上。
反应堆(Reactor)模式,当不会再发生阻塞的时候,触发多个事件处理器,分解和触发任务。在存在回调机制的被动对象时,经常使用这个模式代替主动对象。也经常用它来链接主动对象和下面的半同步半异步模式一块儿使用。
半同步半异步(Half-Sync/Half-Async)模式,这个摸索用来分离同步和异步调用。这个模式经常使用活动对象来实现异步任务层。
命令处理器(CommandProcessor)模式,这个模式和主动对象差很少。它用来分离请求的发出和执行,一个命令处理器就至关于一个调度者。然而,他没有代理者,客户直接发布命令。
Broker模式,这个也和主动对象相似。主要的不一样是,代理者和执行者是分布边界而不是线程边界。
互斥体(Mutex)模式。有时代替主动对象模式,简单的在一个主动对象上加一个锁,使其能够并发的被调用。他有多种实现方式,如重叠的锁,支持权限继承的锁。