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fault-tolerance.md

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容错

如Actor系统 中所述，每一个actor是其子actor的监管者 , 而且每一个actor会定义一个处理错误的监管策略。这个策略制定以后不能修改，因为它集成为actor系统结构的一部分。

1 实际中的错误处理

首先我们来看一个例子，演示处理数据存储错误的一种方法，数据存储错误是真实应用中的典型错误类型。当然在实际的应用中这要依赖于当数据存储发生错误时能做些什么，在这个例子中，我们使用尽量重新连接的方法。

阅读以下源码。其中的注释解释了错误处理的各个片段以及为什么要加上它们。我们还强烈建议运行这个例子，因为根据日志输出来理解运行时都发生了什么会比较容易。

容错例子的图解

faulttolerancesample-normal-flow

上图展示了正常的消息流。

正常流程：

步骤 描述
1 Listener启动工作的过程。
2 Worker 通过定期向自己发送 Do 消息来安排工作
3、4、5 接收到Do时Worker通知CounterService更新计数器值, 三次。Increment消息被转发给Counter, 它会更新自己的计数器变量并将当前值发给Storage。
6、7 Worker向CounterService请求计数器的当前值并将结果回送给Listener。

faulttolerancesample-failure-flow

上图展示了当发生数据存储失败时的过程。

失败流程：

步骤 描述
1 Storage 抛出 StorageException异常
2 CounterService 是 Storage 的监管者， StorageException被抛出时它将 Storage 重启。
3，4，5，6 Storage 仍旧失败，又被重启
7 在5秒内三次失败和重启后 Storage 被它的监管者CounterService终止。
8 CounterService 同时观察着 Storage 并在Storage被终止时收到 Terminated 消息
9，10，11 告诉 Counter 当前没有可用的 Storage。
12 CounterService 计划给自己发一个 Reconnect 消息
13，14 收到 Reconnect 消息后它创建一个新的 Storage
15，16 通知 Counter 使用新的 Storage

容错例子的完整源代码

import akka.actor._
import akka.actor.SupervisorStrategy._
import scala.concurrent.duration._
import akka.util.Timeout
import akka.event.LoggingReceive
import akka.pattern.{ ask, pipe }
import com.typesafe.config.ConfigFactory


//运行这个例子
object FaultHandlingDocSample extends App {
  import Worker._

  val config = ConfigFactory.parseString("""
    akka.loglevel = DEBUG
    akka.actor.debug {
      receive = on
      lifecycle = on
    }
    """)

  val system = ActorSystem("FaultToleranceSample", config)
  val worker = system.actorOf(Props[Worker], name = "worker")
  val listener = system.actorOf(Props[Listener], name = "listener")
  // 开始工作并监听进展
  // 注意监听者被用作tell的sender,
  // i.e. 它会接收从worker发来的应答
  worker.tell(Start, sender = listener)
}


//监听worker的进展，当完成到足够的程度时关闭整个系统
class Listener extends Actor with ActorLogging {
  import Worker._
  // 如果15秒没有任何进展说明服务不可用
  context.setReceiveTimeout(15 seconds)
 
  def receive = {
    case Progress(percent) =>
      log.info("Current progress: {} %", percent)
      if (percent >= 100.0) {
        log.info("That's all, shutting down")
        context.system.shutdown()
      }
    case ReceiveTimeout =>
      // 15秒没有进展，服务不可用
      log.error("Shutting down due to unavailable service")
      context.system.shutdown()
  }
}

object Worker {
  case object Start
  case object Do
  case class Progress(percent: Double)
}

 // Worker接收到 `Start` 消息时开始处理工作.
 // 它持续地将当前``进展``通知 `Start` 消息的发送方
 // `Worker` 监管 `CounterService`.

class Worker extends Actor with ActorLogging {
  import Worker._
  import CounterService._
  implicit val askTimeout = Timeout(5 seconds)

  // 如果 CounterService 子actor抛出 ServiceUnavailable异常则终止它
  override val supervisorStrategy = OneForOneStrategy() {
    case _: CounterService.ServiceUnavailable =>Stop
  }

  // 最初 Start 消息的发送方将持续地收到进展通知
  var progressListener: Option[ActorRef] = None
  val counterService = context.actorOf(Props[CounterService], name = "counter")
  val totalCount = 51

  def receive = LoggingReceive {
    case Start if progressListener.isEmpty =>
      progressListener = Some(sender)
      context.system.scheduler.schedule(Duration.Zero, 1 second, self, Do)
    case Do =>
      counterService ! Increment(1)
      counterService ! Increment(1)
      counterService ! Increment(1)
      // 将当前进展发送给最初的发送方
      counterService ? GetCurrentCount map {
        case CurrentCount(_, count) =>Progress(100.0 * count / totalCount)
      } pipeTo progressListener.get
  }
}

object CounterService {
  case class Increment(n: Int)
  case object GetCurrentCount
  case class CurrentCount(key: String, count: Long)
    class ServiceUnavailable(msg: String) extends RuntimeException(msg)
    private case object Reconnect
}

 // 将从 `Increment` 消息中获取的值加到持久的计数器上。
 // 在被请求 `CurrentCount` 时将 `CurrentCount` 作为应答。
 // `CounterService` 监管 `Storage` 和 `Counter`。
 
 class CounterService extends Actor {
   import CounterService._
   import Counter._
   import Storage._
  
   // 在抛出 StorageException 时重启 Storage 子actor.
   // 如果5秒内有3次重启，它将被终止.
   override val supervisorStrategy = OneForOneStrategy(maxNrOfRetries = 3, withinTimeRange = 5 seconds) {
     case _: Storage.StorageException => Restart
   }
  
   val key = self.path.name
   var storage: Option[ActorRef] = None
   var counter: Option[ActorRef] = None
   var backlog = IndexedSeq.empty[(ActorRef, Any)]
   val MaxBacklog = 10000
  
   override def preStart() {
     initStorage()
   }
  
   
   //storage 子actor在失败时将被重启，但是3次重启后如果仍失败，它将被终止。
   //这样比一直不断的失败要好
   //它被终止后我们将在一段延时后安排重新连接.
   //监视子actor，这样在它终止后我们能收到`Terminated` 消息.
   
   def initStorage() {
     storage = Some(context.watch(context.actorOf(Props[Storage], name = "storage")))
     // 告诉计数器（如果有的话），使用新的storage
     counter foreach { _ ! UseStorage(storage) }
     // 我们需要初始值来开始操作
     storage.get ! Get(key)
   }
  
   def receive = LoggingReceive {
     case Entry(k, v) if k == key && counter == None =>
       // 从Storage应答得到初始值, 现在我们可以创建计数器了
       val c = context.actorOf(Props(new Counter(key, v)))
       counter = Some(c)
       // 告诉计数器使用当前 storage
       c ! UseStorage(storage)
       // 并将缓存的积压消息发给计数器
       for ((replyTo, msg) <- backlog) c.tell(msg, sender = replyTo)
       backlog = IndexedSeq.empty
     case msg @ Increment(n)   => forwardOrPlaceInBacklog(msg)
     case msg @ GetCurrentCount => forwardOrPlaceInBacklog(msg)
     case Terminated(actorRef) if Some(actorRef) == storage =>
       // 3次重启后 storage 子actor被终止了.
       // 我们收到 Terminated 是因为我们监视了这个子actor.
       storage = None
       // 告诉计数器现在没有 storage 可用了
       counter foreach { _ ! UseStorage(None) }
       // 过一会尝试重新建立 storage 
       context.system.scheduler.scheduleOnce(10 seconds, self, Reconnect)
     case Reconnect =>
       // 在计划的延时后重新创建 storage 
       initStorage()
   }
  
   def forwardOrPlaceInBacklog(msg: Any) {
     // 在开始委托给计数器之前我们需要从storage中获取初始值 .
     // 在那之前我们将消息放入积压缓存中，在计数器初始化完成后将这些消息发给它。
     counter match {
       case Some(c) => c forward msg
       case None =>
         if (backlog.size >= MaxBacklog)
           throw new ServiceUnavailable("CounterService not available, lack of initial value")
         backlog = backlog :+ (sender, msg)
     }
   }
 }
 
 object Counter {
   case class UseStorage(storage: Option[ActorRef])
 }
 
 //如果当前有可用的 storage的话， 计数器变量将当前的值发送给`Storage`
 class Counter(key: String, initialValue: Long) extends Actor {
   import Counter._
   import CounterService._
   import Storage._

   var count = initialValue
   var storage: Option[ActorRef] = None
   def receive = LoggingReceive {
     case UseStorage(s) =>
       storage = s
       storeCount()
     case Increment(n) =>
       count += n
       storeCount()
     case GetCurrentCount =>
       sender() ! CurrentCount(key, count)

   }
   def storeCount() {
     // 委托危险的工作，来保护我们宝贵的状态.
     // 没有 storage 我们也能继续工作.
     storage foreach { _ ! Store(Entry(key, count)) }
   }

 }
 
 object Storage {
   case class Store(entry: Entry)
   case class Get(key: String)
   case class Entry(key: String, value: Long)
   class StorageException(msg: String) extends RuntimeException(msg)
 }

 // 收到 `Store` 消息时将键/值对保存到持久storage中.
 // 收到 `Get` 消息时以当前值作为应答 .
 // 如果背后的数据存储出问题了，会抛出 StorageException.
 class Storage extends Actor {
   import Storage._
   val db = DummyDB
   def receive = LoggingReceive {
     case Store(Entry(key, count)) => db.save(key, count)
     case Get(key)                 => sender() ! Entry(key, db.load(key).getOrElse(0L))
 } }
 object DummyDB {
   import Storage.StorageException
   private var db = Map[String, Long]()
   @throws(classOf[StorageException])
   def save(key: String, value: Long): Unit = synchronized {
     if (11 <= value && value <= 14)
       throw new StorageException("Simulated store failure " + value)
     db += (key -> value)
   }
   @throws(classOf[StorageException])
   def load(key: String): Option[Long] = synchronized {
     db.get(key)
   }
 }

2 创建一个监管策略

以下更加深入地讲解错误处理的机制和可选的方法。

为了演示我们假设有这样的策略:

import akka.actor.OneForOneStrategy
import akka.actor.SupervisorStrategy._
import scala.concurrent.duration._
override val supervisorStrategy =
  OneForOneStrategy(maxNrOfRetries = 10, withinTimeRange = 1 minute) {
    case _: ArithmeticException      => Resume
    case _: NullPointerException     => Restart
    case _: IllegalArgumentException => Stop
    case _: Exception                => Escalate
}

我选择了一种非常著名的异常类型来演示监管和监控 中描述的错误处理方式的使用. 首先，它是一个一对一的策略，意思是每一个子actor会被单独处理（多对一的策略与之相似，唯一的差别在于任何决策都应用于监管者的所有子actor，而不仅仅是出错的那一个)。 这里我们对重启的频率作了限制，最多每分钟能进行 10 次重启; 所有这样的设置都可以被忽略，也就是说，相应的限制并不被采用, 使设置重启频率的绝对上限值或让重启无限进行成为可能。

构成主体的 match 语句的类型是Decider, 它是一个PartialFunction[Throwable, Directive]。这一部分将子actor的失败类型映射到相应的指令上。

注意：如果策略定义在监控actor的内部（相反的是在一个组合对象的内部），它的Decider可以线程安全的访问actor的所有内部状态，包括获取当前失败子actor的一个引用

缺省的监管机制

如果定义的监管机制没有覆盖抛出的异常，将使用上溯(Escalate)机制。

如果某个actor没有定义监管机制，下列异常将被缺省地处理:

  • ActorInitializationException将终止出错的子actor
  • ActorKilledException 将终止出错的子 actor
  • Exception 将重启出错的子 actor
  • 其它的Throwable 将被上溯传给父actor

如果异常一直被上溯到根监管者，在那儿也会用上述缺省方式进行处理。

你可以合并你自己的策略到默认策略中去。

import akka.actor.OneForOneStrategy
import akka.actor.SupervisorStrategy._
import scala.concurrent.duration._
override val supervisorStrategy =
  OneForOneStrategy(maxNrOfRetries = 10, withinTimeRange = 1 minute) {
    case _: ArithmeticException => Resume
    case t =>
      super.supervisorStrategy.decider.applyOrElse(t, (_: Any) => Escalate)
  }

3 测试应用程序

以下部分展示了实际中不同的指令的效果，为此我们需要创建一个测试环境。首先我们需要一个合适的监管者:

import akka.actor.Actor
  class Supervisor extends Actor {
    import akka.actor.OneForOneStrategy
    import akka.actor.SupervisorStrategy._
    import scala.concurrent.duration._
    override val supervisorStrategy =
      OneForOneStrategy(maxNrOfRetries = 10, withinTimeRange = 1 minute) {
        case _: ArithmeticException      => Resume
        case _: NullPointerException     => Restart
        case _: IllegalArgumentException => Stop
        case _: Exception                => Escalate
}
    def receive = {
      case p: Props => sender() ! context.actorOf(p)
} }

该监管者将用来创建一个我们用来做试验的子actor:

import akka.actor.Actor
class Child extends Actor {
  var state = 0
  def receive = {
    case ex: Exception => throw ex
    case x: Int        => state = x
    case "get"         => sender() ! state
  }
}

这个测试可以用测试Actor系统中的工具来进行简化, 比如AkkaSpec是TestKit with WordSpec with MustMatchers的混合。

import akka.testkit.{ AkkaSpec, ImplicitSender, EventFilter }
import akka.actor.{ ActorRef, Props, Terminated }
class FaultHandlingDocSpec extends AkkaSpec with ImplicitSender {
  "A supervisor" must {
    "apply the chosen strategy for its child" in {
      // code here
} }
}

现在我们来创建 actor:

val supervisor = system.actorOf(Props[Supervisor], "supervisor")
supervisor ! Props[Child]
val child = expectMsgType[ActorRef] // retrieve answer from TestKit’s testActor

第一个测试是为了演示 Resume 指令, 我们试着将actor设为非初始状态然后让它出错:

child ! 42 // set state to 42
child ! "get"
expectMsg(42)
child ! new ArithmeticException // crash it
child ! "get"
expectMsg(42)

可以看到错误处理指令完后仍能得到42的值. 现在如果我们将错误换成更严重的 NullPointerException, 情况就不同了:

child ! new NullPointerException // crash it harder
 child ! "g
 expectMsg(0)

而最后当致命的 IllegalArgumentException 发生时子actor将被其监管者终止:

watch(child) // have testActor watch “child”
child ! new IllegalArgumentException // break it
expectMsgPF() { case Terminated(‘child‘) => () }

到目前为止监管者完全没有被子actor的错误所影响, 因为指令集确实处理了这些错误。而对于 Exception, 就不是这么回事了， 监管者会将失败上溯传递。

supervisor ! Props[Child] // create new child
val child2 = expectMsgType[ActorRef]
watch(child2)
child2 ! "get" // verify it is alive
expectMsg(0)
child2 ! new Exception("CRASH") // escalate failure
expectMsgPF() {
  case t @ Terminated(‘child2‘) if t.existenceConfirmed => ()
}

监管者自己是被ActorSystem的顶级actor所监管的。顶级actor的缺省策略是对所有的Exception情况 (注意ActorInitializationException和 ActorKilledException 是例外)进行重启. 由于缺省的重启指令会杀死所有的子actor，我们知道我们可怜的子actor最终无法从这个失败中幸免。

如果这不是我们希望的行为 (这取决于实际用例), 我们需要使用一个不同的监管者来覆盖这个行为。

class Supervisor2 extends Actor {
  import akka.actor.OneForOneStrategy
  import akka.actor.SupervisorStrategy._
  import scala.concurrent.duration._
  override val supervisorStrategy =
    OneForOneStrategy(maxNrOfRetries = 10, withinTimeRange = 1 minute) {
      case _: ArithmeticException      => Resume
      case _: NullPointerException     => Restart
      case _: IllegalArgumentException => Stop
      case _: Exception                => Escalate
}
  def receive = {
    case p: Props => sender() ! context.actorOf(p)
}
  // override default to kill all children during restart
  override def preRestart(cause: Throwable, msg: Option[Any]) {}
}

在这个父actor之下，子actor在上溯的重启中得以幸免，如以下最后的测试:

val supervisor2 = system.actorOf(Props[Supervisor2], "supervisor2")
supervisor2 ! Props[Child]
val child3 = expectMsgType[ActorRef]
child3 ! 23
child3 ! "get"
expectMsg(23)
child3 ! new Exception("CRASH")
child3 ! "get"
expectMsg(0)