Hamler 0.2 正式发布 - OTP Behaviours with Type Classes

2020-8-7

技术

关于 Actor Model
Process and Mailbox
Message Passing Concurrency
OTP Behaviours
Supervisor Behaviour
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EMQ 公司介绍

我们在这里很高兴地和大家分享 Hamler 0.2 版本发布的消息！

Hamler 是一门构建在 Erlang 虚拟机(VM)上的 Haskell 风格的强类型(Strongly-typed)编程语言，独特地结合了编译时的类型检查推导，与对运行时高并发和软实时能力的支持。

HamlerCompilerDesign

Hamler 0.2 现已支持大部分 Erlang 的并发编程特性，包括基于 Actor Model 的 Message Passing Concurrency 和 OTP Behaviours。

关于 Actor Model

1974年，卡尔-休伊特教授发表了论文《Actor model of computation》。文中，他阐述了 Actor 作为一个计算实体，它会对收到的消息作出回应，并可以并发地进行以下操作：

向其他 Actor 发送有限数量的消息
创建有限数量的新 Actor
指定下一个收到的消息所要使用的行为

随着多核计算和大规模分布式系统的兴起，Actor 模型因其天然的并发性、并行性和分布式变得越来越重要。

Process and Mailbox

Hamler/Erlang 中的 Actor 被定义为一个进程，它的工作方式就像一个 OS 进程。每个进程都有自己的内存，由一个 Mailbox、一个 Heap、一个 Stack 和一个包含进程信息的 Process Control Block(PCB) 组成。

Process

Erlang 中的进程是非常轻量的，我们可以在一个正在运行的 Erlang 虚拟机上快速创建数百万个进程。

Message Passing Concurrency

"Message passing concurrency（MPS）是两个或多个进程之间没有共享资源情况下的并发，它们通过仅传递消息进行通信。" Actor Model 就是 MPS 模型的一个实现。

参考资料：

MessagePassingConcurrency

AlanKayOnMessaging

Ping/Pong示例：

import Prelude
import Control.Process (selfPid)

go :: Process ()
go = do
  self <- selfPid
  pid <- spawn loop
  pid ! (self, :ping)
  receive
    :pong -> println "Pong!"
  pid ! :stop

loop :: Process ()
loop =
  receive
    (from, :ping) -> do
      println "Ping!"
      from ! :pong
      loop
    :stop -> return ()

Receive ... after示例：

go :: Process ()
go = do
  pid <- spawn recvAfter
  pid ! :foo

recvAfter :: Process ()
recvAfter =
  receive
    :bar -> println "recv bar"
  after
    1000 -> println "timeout"

Selective Receive 示例：

go :: Process ()
go = do
  pid <- spawn selectiveRecv
  pid ! :bar
  pid ! :foo

selectiveRecv :: Process ()
selectiveRecv = do
  receive :foo -> println "foo"
  receive :bar -> println "bar"

OTP Behaviours

Hamler 采用类型类(TypeClass)实现 OTP Behaviour。

TypeClass 定义了具有类似 operation 的一组类型。在我们的实现中，使用 typeclass 来对不同 OTP Behaviour 的类型进行区分。通过为每个 Behavour 定义一个 typeclass 的方式，我们对这些 Behaviour 做了某种程度上的抽象，并在一定程度上增加了类型约束。

GenServer Behaviour

Generic Server Behaviour 是对 客户端-服务器 关系模型中服务器的抽象。如图所示，在该模型的服务器侧，所有的通用操作都可以被封装成为一个模块。与 Erlang 一样，Hamler 将其封装为 GenServer 的模块。不同的是在 Hamler 中 GenServer 由类型类进行定义，它所有的回调函数和参数都必须受到类型约束，它在具备 Erlang 的 gen_server 特性的同时，也保证了类型的安全。以 handleCall 和 handleCast 为例：

参考资料 Erlang gen_server Behaviour。

ClientServerMode

GenServer Typeclass

class GenServer req rep st | req -> rep, rep -> st, st -> req where
  handleCall :: HandleCall req rep st
  handleCast :: HandleCast req rep st

A simple Server Example

module Demo.Server
  ( start
  , inc
  , dec
  , query
  ) where

import Prelude
import Control.Behaviour.GenServer
  ( class GenServer
  , HandleCall
  , HandleCast
  , Init
  , startLinkWith
  , initOk
  , call
  , cast
  , noReply
  , reply
  , shutdown
  )
import System.IO (println)

data Request = Inc | Dec | Query
data Reply = QueryResult Integer
data State = State Integer

name :: Atom
name = :server

start :: Process Pid
start = startLinkWith name (init 20)

inc :: Process ()
inc = cast name Inc

dec :: Process ()
dec = cast name Dec

query :: Process Integer
query = do
  QueryResult i <- call name Query
  return i

instance GenServer Request Reply State where
  handleCall = handleCall
  handleCast = handleCast

init :: Integer -> Init Request State
init n = initOk (State n)

handleCall :: HandleCall Request Reply State
handleCall Query _from (State i) = do
  println "Call: Query"
  reply (QueryResult i) (State i)
handleCall _req _from st =
  shutdown :badRequest st

handleCast :: HandleCast Request Reply State
handleCast Inc (State n) = do
  println "Cast: Inc"
  noReply $ State (n+1)
handleCast Dec (State n) = do
  println "Cast: Dec"
  noReply $ State (n-1)
handleCast _ st = noReply st

GenStatem Behaviour

GenStatem Behaviour 抽象了对于 事件驱动的有限状态机(Event-driven Finite State Machine) 中通用的操作。对于该类型的状态机来说，它以触发状态转换的事件作为输入，而在状态转换过程中执行的动作作为输出，并得到新的状态。其模型如下：

State(S) x Event(E) -> Actions(A), State(S')

与 Erlang 中的实现类似，Hamler 使用 GenStatem 类型类对此状态机的通用操作进行封装。在 GenStatem 中仅提供一个事件处理的回调函数。其声明如下：

class GenStatem e s d | e -> s, s -> d, d -> e where
  handleEvent :: HandleEvent e s d

CodeLock FSM Example

module Demo.FSM.CodeLock
  ( name
  , start
  , push
  , stop
  ) where

import Prelude

import Control.Behaviour.GenStatem
  ( class GenStatem
  , Action(..)
  , EventType(..)
  , Init
  , OnEvent
  , initOk
  , handleWith
  , unhandled
  )
import Control.Behaviour.GenStatem as FSM

data Event = Button Integer | Lock
data State = Locked | Opened
data Data = Data
  { code :: [Integer]
  , length :: Integer
  , buttons :: [Integer]
  }

instance Eq State where
  eq Locked Locked = true
  eq Opened Opened = true
  eq _ _ = false

instance GenStatem Event State Data where
  handleEvent = handleWith [(Locked, locked), (Opened, opened)]

name :: Atom
name = :code_lock

start :: [Integer] -> Process Pid
start code = FSM.startLinkWith name (init code)

push :: Integer -> Process ()
push n = FSM.cast name (Button n)

stop :: Process ()
stop = FSM.stop name

init :: [Integer] -> Init Event State Data
init code = initOk Locked d
  where d = Data $ { code = reverse code
                   , length = length code
                   , buttons = []
                   }

locked :: OnEvent Event State Data
locked Cast (Button n) (Data d) =
  let buttons = take d.length [n|d.buttons]
   in if buttons == d.code then
        let actions = [StateTimeout 1000 Lock] in
            FSM.nextWith Opened (Data d{buttons = []}) actions
      else FSM.keep (Data d{buttons = buttons})

locked t e d = unhandled t e Locked d

opened :: OnEvent Event State Data
opened Cast (Button _) d = FSM.keep d

opened Timeout Lock d = do
  println "Timeout Lock"
  FSM.next Locked d

opened t e d = unhandled t e Opened d

Supervisor Behaviour

Supervisor Behaviour 抽象了进程间容错的通用操作，它作为一个特殊的进程，以 监督者(Supervisor) 的角色管理其子进程，并在出现异常时重启相关的子进程，以提高系统的容错能力。

在 Hamler 中，这类行为被封装为 Supervisor 的类型类，并提供一个 init 回调函数来配置监督者的行为和子进程列表。这里的实现与 Erlang 中的 supervisor 是一致的。

Supervision Tree

监督者可以监控上文提到的 GenServer 或 GenStatem 生成的进程，同样也可以监控另外一个监督者。这便构成了 监控树(Supervision Tree)。如下图所示：

SupervisorTree

其中矩形表示一个监督者，圆表示一个工作者（它可以是一个 GenServer，GenStatem 或其它任意的进程）。当有进程异常退出时，监督者会按回调函数中配置的方式进行重启，例如：

'1' 表示 one_for_one：仅重启异常退出的子进程。
'a' 表示 one_for_all：重启该监督者下所有的子进程。

参考资料：Supervision Principles Erlang Supervisor Behaviour

A Supervisor Example

module Demo.Sup (start) where

import Prelude

import Demo.Event as Event
import Demo.Server as Server
import Demo.FSM.PushButton as FSM
import Control.Behaviour.Supervisor
  ( Init
  , initOk
  , Strategy(..)
  , childSpec
  , startSupWith
  )

name :: Atom
name = :sup

start :: Process Pid
start = startSupWith name init

init :: Init
init = initOk (OneForOne, 10, 100)
  [ childSpec "Demo.Event" Event.start
  , childSpec "Demo.Server" Server.start
  , childSpec "Demo.Statem" FSM.start
  ]

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Hamler 函数编程语言从发起即是一个开源项目，项目托管在 GitHub: https://github.com/hamler-lang/ 。 Hamler 目前由 EMQ - 杭州映云科技有限公司研发团队主导开发，计划在 2020 年底前发布 0.5 版本用于 EMQX 6.0 的开发。

EMQ 公司介绍

EMQ - 杭州映云科技有限公司致力于成为全球领先的消息与流处理开源软件企业，聚焦服务于新产业周期的 5G&IoT、边缘计算(Edge)与云计算(Cloud)市场。 EMQ 研发团队主要采用 Erlang、Haskell 等函数编程语言，开发高并发、高可靠、软实时的大规模分布式系统

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