Intermédiaire

Les systèmes réactifs et le pattern actor model

Les règles du jeu ont changé

EvolutionLes systèmes informatiques ont énormément évolué au cours de ces dernières décennies. Tant au niveau des capacités disponibles qu’au niveau des performances demandées.

Les choix d’architecture logicielle étaient précédemment effectués dans un contexte où les infrastructures étaient bien moins flexibles et représentaient des coûts plus importants. Mais les règles du jeu ont bien changé depuis.

Cet article est le premier d’une série traitant du pattern actor model et des différentes solutions actuellement disponibles pour implémenter des systèmes s’appuyant sur ce passionnant modèle de conception.

Les systèmes réactifs

Le besoin de changer de conception est né de la divergence de l’évolution de deux facteurs :

Les sollicitations et les exigences des utilisateurs

Increase– Le nombre d’accès concurrents (utilisateurs) a explosé au cours des dernières années.
– La volumétrie des données gérées et stockées a augmenté.
– Les exigences des utilisateurs en matière de réactivité ne sont plus les mêmes.

Les coûts et la complexité de gestion de l’infrastructure

decrease– Les coûts de l’infrastructure ont drastiquement diminué (RAM, stockage, puissance de calcul…).
– Les temps de latence des communications réseau se comptent désormais en millisecondes.
– La complexité de scalabilité des plateformes a été réduite au minimum (IAAS, PAAS).

Ces évolutions nous ont amenés à repenser les architectures sur lesquelles sont basées nos solutions informatiques actuelles. L’approche réactive se veut très pragmatique, elle définit un ensemble de quatre critères qui doivent être remplis pour pouvoir qualifier un système comme « réactif ».

Le reactive manifesto

Fort de ces constats, le reactive manifesto définit une approche cohérente afin de tirer profit de ces changements. Selon ce manifeste, un système dit « réactif » doit donc répondre aux 4 critères suivants :

1. Disponible (Responsive) ⇨ assure la réactivité à la sollicitation sous toute condition

responsiveLe système répond rapidement et de façon constante, dans la mesure du possible, en toutes circonstances. La rapidité et la constance du service fournit par le système en assurent sa pérennité. Cette disponibilité est assurée par les trois autres caractéristiques d’un système réactif.

2. Résilient (Resilient) ⇨ assure la réactivité face aux erreurs

resilientLa disponibilité du système reste assurée en cas d’erreur au sein d’un de ses composants. L’isolation des composants permet d’éviter la propagation des erreurs. Elles sont gérées localement ou par un composant de supervision.

3. Souple (Elastic) ⇨ assure la réactivité face à la charge

elasticLe système répond rapidement quelle que soit la charge de travail. Il doit être évolutif (scalable) et doit pouvoir s’adapter aux contextes changeants. Cette « élasticité » est rendue possible par la nature « orientée message » du système, qui permet facilement une redistribution des messages.

4. Orienté message (Message driven) ⇨ assure la réactivité face aux événements

message drivenLes échanges entre les composants se font par l’échange de messages asynchrones afin de garantir leur faible couplage, leur transparence de localisation et leur isolation.

reactive manifesto

N’hésitez pas à aller consulter (et signer !) le reactive manifesto pour de plus amples informations.

Le pattern actor model (modèle d’acteur)

Un peu d’histoire

La première approche du pattern actor model a été proposée en 1973 dans la publication “A Universal Modular Actor Formalism for Artificial Intelligence”.
Carl Hewitt, Peter Bishop et Richard Steiger décrivent alors un modèle permettant de simplifier la gestion des traitements parallèles.
Cette conceptualisation présupposait que le modèle s’exécute dans un réseau de communication dont les latences sont quasiment négligeables.

De telles performances n’étaient pas disponibles alors, mais les choses ont bien changé depuis.

Les concepts du pattern actor model

“En informatique, le modèle d’acteur est un modèle mathématique qui considère des acteurs comme les seules fonctions primitives nécessaires pour la programmation concurrente. Les acteurs communiquent par échange de messages.” (Wikipedia)

Un acteur interagit indirectement avec d’autres acteurs en envoyant des messages à leurs adresses, dont il a sauvegardé les références, sans se soucier de leurs états ou de leurs localisations (processus, machine…).

Plusieurs adresses peuvent pointer sur un même acteur alors qu’une adresse peut représenter plusieurs acteurs.

Un acteur dispose d’une file d’attente (mailbox) pour les messages qu’il reçoit. Il traite ces derniers un par un et ne fait donc qu’un seul traitement à la fois.

Il n’y a aucune mémoire partagée entre les différents acteurs. Les acteurs ne communiquent pas en partageant de la mémoire, mais ils partagent de la mémoire en communiquant.

Un acteur trouve donc sa raison d’être dans ses interactions avec les autres acteurs. Un acteur n’est jamais seul, il appartient à un système. “One ant is no ant.” (Edward O. Wilson)

Actions possiblesLors du traitement d’un message, un acteur peut seulement exécuter une ou plusieurs des actions suivantes :
– Créer un ou plusieurs nouveaux acteurs
– Envoyer un ou plusieurs messages à un nombre fini d’acteurs qu’il connait (y compris lui-même)
– Changer la façon dont il gèrera les messages suivants

Un acteur dispose donc d’un nombre limité d’actions possibles lors du traitement d’un message. Il se contente de réaliser la fonction primitive à laquelle il est dédié et de communiquer ses résultats.

Composition d'un acteurPour résumer, un acteur encapsule :
– Un état interne isolé des autres acteurs
– Un comportement (logique primitive de traitement) qui est sa raison d’être
– Une file d’attente de messages qu’il traite un par un
– Un protocole de communication avec d’autres acteurs

Analogies entre le pattern actor model et la programmation orientée objet (POO)

Ce modèle considère que « tout est acteur ». Cette approche est similaire à l’approche du « tout est objet » de la POO, mais à des niveaux d’abstraction et d’isolation supérieurs.

Nous pouvons également remarquer les analogies suivantes entre Actor model et POO:

  Pattern actor model POO
Philosophie Tout est acteur Tout est objet
Accès à une entité Adresse(s) de l’acteur Instance(s) de l’objet
Interactions entre entités Envoi de message (non bloquant) Invocation de méthode (bloquant)
Gestion des interactions File d’attente de messages Pile d’appel
Gestion de la concurrence Intrinsèque Possible mais très vite complexe

Le pattern actor model permet de créer aisément des architectures réactives. De par sa nature intrinsèquement découplée et nativement orientée message, il permet de concevoir des systèmes résilients et aisément scalables.

Présentation d’un système d’acteurs complet

La théorie est intéressante, mais passons à un exemple concret afin de bien comprendre les possibilités de ce pattern.

Nous allons ici étudier un système de gestion d’upload d’image sur un site de réseau social.

Voici la représentation du système d’acteurs mis en place :

Exemple d'un système d'acteurs

Trois grandes actions sont réalisées par ce système :

  • Validation du contenu (détection des images au contenu inapproprié)
  • Génération des miniatures
  • Agrégation d’informations liées à l’image

Les messages d’upload d’image “ImageUploaded” sont réceptionnés par l’acteur ImageReceiver, qui se charge de transmettre de nouveaux messages à destination des acteurs suivants (ExplicitContentDetector, ThumbnailGenerator/ImageFileDispatcher et ImagePreprocessor).

Ces trois messages déclenchent donc les trois sous-tâches suivantes en parallèle.

Validation du contenu (détection des images au contenu explicite)

L’acteur ExplicitContentDetector réalise une analyse de l’image et envoie un message à l’acteur ExplicitContentNotifier si un contenu inapproprié est détecté.
Si l’image est conforme, il le notifie à l’acteur l’ayant sollicité (ImageReceiver).

L’acteur ExplicitContentNotifier prend en charge de publier un message d’alerte “ExplicitContentDetected” (mail, avertissement…) lorsqu’il reçoit une demande de notification.

Génération des miniatures

Si l’image uploadée est trop grande, une demande de redimensionnement est envoyée à l’acteur ThumbnailGenerator. Dans le cas contraire, le message est directement passé à l’acteur ImageFileDispatcher.

Lorsque l’acteur ImageFileDispatcher reçoit un message (peu importe la provenance), il transmet un message à l’acteur EnrichedImageFileDispatcher pour lui signaler la fin de son travail (gestion des miniatures).

Agrégation d’informations liées à l’image

Cette partie du système, en charge de la recherche d’informations, est constituée des acteurs ImagePreprocessor, ImageFilter, ContentEnricher, FaceDetector, UserDataProvider, ImageDuplicateFinder et DataAggregator.

En tout premier lieu, un prétraitement de l’image est effectué en amont par les acteurs ImagePreprocessor et ImageFilter pour faciliter l’analyse de l’image.

Détection d'utilisateurs

Une partie du système prend en charge la détection d’utilisateurs dans les images (FaceDetector), et l’ajout de leurs informations associées (UserDataProvider).

Il est intéressant de noter que l’acteur FaceDetector est en réalité exécuté sur plusieurs instances. Il est créé à la volée par le ContentEnricher afin d’exécuter cette tâche longue et bloquante (une seule action à la fois) sans impacter le reste du système. Il est ensuite détruit une fois son action terminée.

L’autre partie prend en charge la détection des doublons d’image au sein de l’ensemble des images déjà uploadées (ImageDuplicateFinder).

Transmission du résultat de l’analyse

Enfin, l’ensemble des données récoltées par l’analyse est rattaché à la miniature (DataAggregator et EnrichedImageFileDispatcher) généré en parallèle par la partie Génération des miniatures.

Un message “EnrichedImageValidated” est alors publié vers l’extérieur du système pour notifier celui-ci de la fin du traitement d’une image uploadée.

Le pattern actor model démystifié par son concepteur en personne

Je vous laisse regarder cette excellente vidéo dans laquelle son concepteur, Carl Hewitt, nous présente le pattern actor model. Il y détaille les concepts fondamentaux et la philosophie du modèle (vidéo en anglais) :

On the next episode(s)…

Nous venons de voir en détail la théorie du pattern actor model. Dans un prochain article, je vous présenterai une des implémentations disponibles de ce pattern : Akka.Net. Nous y verrons comment mettre en place un système d’acteurs en utilisant ce framework.

© SOAT
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