C#4.0中的协变和逆变
在上一篇文章中，我们实现了一个简单的爬虫，并指出了这种方式的缺陷。现在，我们就来看一下，如何使用C# 4.0中所引入的“协变和逆变”特性来改进这种消息执行方式，这也是我认为在“普适Actor模型”中最合适的做法。这次，我们动真格的了，我们会一条一条地改进前文提出的缺陷。
协变和逆变
在以前的几篇文章中，我们一直挂在嘴边的说法便是消息于Actor类型的“耦合”太高。例如在简单的爬虫实现中，Crawler接受的消息为Crawl(Monitor, string)，它的第一个参数为Monitor类型。但是在实际应用中，这个参数很可能需要是各种类型，唯一的“约束”只是它必须能够接受一个ICrawlResponseHandler类型的消息，这样我们就能把抓取的结果传递给它。至于操作Crawler对象的是Monitor还是Robot，还是我们单元测试时动态创建的Mock对象（这很重要），Crawler一概不会关心。
但就是这个约束，在以前的实现中，我们必须让这个目标继承Actor< ICrawlResponseHandler>，这样它也就无法接受其他类型的消息了。例如Monitor还要负责一些查询操作我们该怎么办呢？幸运的是，在.NET 4.0(C# 4.0)中，我们只需要让这个目标实现这样一个接口即可：
- public interface IPort< out T>
- {
- void Post(Action< T> message);
- }
瞅到out关键字了没？事实上，还有一个东西您在这里还没有看到，这便是Action委托在.NET 4.0中的签名：
- public delegate void Action< in T>(T obj);
就在这样一个简单的示例中，协变和逆变所需要的in和out都出现了。这意味着如果有两个类型Parent和Child，其中Child是Parent的子类（或Parent接口的实现），那么实现了IPort< Child>的对象便可以自动赋值给IPort< Parent>类型的参数或引用1。使用代码来说明问题可能会更清楚一些：
- public class Parent
- {
- public void ParentMethod() { };
- }
- public class Child : Parent { }
- static void Main(string[] args)
- {
- IPort< Child> childPort = new ChildPortType();
- IPort< Parent> parentPort = childPort; // 自动转化
- parentPort.Post(p => p.ParentMethod()); // 可以接受Action< Parent>类型作为消息
- }
这意味着，我们可以把ICrawlRequestHandler和ICrawlResponseHandler类型写成下面的形式：
- internal interface ICrawlRequestHandler
- {
- void Crawl(IPort< ICrawlResponseHandler> collector, string url);
- }
- internal interface ICrawlResponseHandler
- {
- void Succeeded(IPort< ICrawlRequestHandler> crawler, string url, string content, List< string> links);
- void Failed(IPort< ICrawlRequestHandler> crawler, string url, Exception ex);
- }
如今，Monitor和Crawler便可以写成如下模样：
- internal class Crawler : Actor< Action< Crawler>>, IPort< Crawler>, ICrawlRequestHandler
- {
- protected override void Receive(Action< Crawler> message) { message(this); }
- #region ICrawlRequestHandler Members
- void ICrawlRequestHandler.Crawl(IPort< ICrawlResponseHandler> collector, string url)
- {
- try
- {
- string content = new WebClient().DownloadString(url);
- var matches = Regex.Matches(content, @"href=""(http://[^""]+)""").Cast< Match>();
- var links = matches.Select(m => m.Groups[1].Value).Distinct().ToList();
- collector.Post(m => m.Succeeded(this, url, content, links));
- }
- catch (Exception ex)
- {
- collector.Post(m => m.Failed(this, url, ex));
- }
- }
- #endregion
- }
- public class Monitor : Actor< Action< Monitor>>, IPort< Monitor>, ICrawlResponseHandler
- {
- protected override void Receive(Action< Monitor> message) { message(this); }
- #region ICrawlResponseHandler Members
- void ICrawlResponseHandler.Succeeded(IPort< ICrawlRequestHandler> crawler,
- string url, string content, List< string> links) { ... }
- void ICrawlResponseHandler.Failed(IPort< ICrawlRequestHandler> crawler,
- string url, Exception ex) { ... }
- #endregion
- private void DispatchCrawlingTasks(IPort< ICrawlRequestHandler> reusableCrawler)
- {
- if (this.m_readyToCrawl.Count < = 0)
- {
- this.WorkingCrawlerCount--;
- }
- var url = this.m_readyToCrawl.Dequeue();
- reusableCrawler.Post(c => c.Crawl(this, url));
- while (this.m_readyToCrawl.Count > 0 &&
- this.WorkingCrawlerCount < this.MaxCrawlerCount)
- {
- var newUrl = this.m_readyToCrawl.Dequeue();
- IPort< ICrawlRequestHandler> crawler = new Crawler();
- crawler.Post(c => c.Crawl(this, newUrl));
- this.WorkingCrawlerCount++;
- }
- }
- }
Monitor的具体实现和上篇文章区别不大，您可以参考文章末尾给出的完整代码，并配合前文的分析来理解，这里我们只关注被标红的两行代码。
在第一行中我们创建了一个Crawler类型的对象，并把它赋值给IPort< ICrawlerRequestHandler>类型的变量中。请注意，Crawler对象并没有实现这个接口，它只是实现了IPort< Crawler>及ICrawlerRequestHandler。不过由于IPort< T>支持协变，于是IPort< Crawler>被安全地转换成了IPort< ICrawlerRequestHandler>对象。
第二行中再次发生了协变：ICrawlRequestHandler.Crawel的第一个参数需要IPort< ICrawlResponseHandler>类型的对象，但是this是Monitor类型的，它并没有实现这个接口。不过，和上面描述的一样，由于IPort< T>支持协变，因此这样的类型转化是安全的，允许的。于是在Crawler类便可以操作一个“抽象”，而不是具体的Monitor类型来办事了。
神奇不？但就是这么简单。
“内部”消息控制
在上一篇文章中，我们还提出了Crawler实现的另一个缺点：没有使用异步IO。WebClient本身的DownloadStringAsync方法可以进行异步下载，但是如果在异步完成的后续操作（如分析链接）会在IO线程池中运行，这样我们就很难对任务所分配的运算能力进行控制。我们当时提出，可以把后续操作作为消息发送给Crawler本身，也就是进行“内部”消息控制——可惜的是，我们当时无法做到。不过现在，由于Crawler实现的是IPort< Crawler>接口，因此，我们可以把Crawler内部的任何方法作为消息传递给自身，如下：
- internal class Crawler : Actor< Action< Crawler>>, IPort< Crawler>, ICrawlRequestHandler
- {
- protected override void Receive(Action< Crawler> message) { message(this); }
- #region ICrawlRequestHandler Members
- public void Crawl(IPort< ICrawlResponseHandler> collector, string url)
- {
- WebClient client = new WebClient();
- client.DownloadStringCompleted += (sender, e) =>
- {
- if (e.Error == null)
- {
- this.Post(c => c.Crawled(collector, url, e.Result));
- }
- else
- {
- collector.Post(c => c.Failed(this, url, e.Error));
- }
- };
- client.DownloadStringAsync(new Uri(url));
- }
- private void Crawled(IPort< ICrawlResponseHandler> collector, string url, string content)
- {
- var matches = Regex.Matches(content, @"href=""(http://[^""]+)""").Cast< Match>();
- var links = matches.Select(m => m.Groups[1].Value).Distinct().ToList();
- collector.Post(c => c.Succeeded(this, url, content, links));
- }
- #endregion
- }
我们准备了一个private的Crawled方法，如果抓取成功了，我们会把这个方法的调用封装在一条消息中重新发给自身。请注意，这是个私有方法，因此这里完全是在做“内部”消息控制。
开启抓取任务
在上一篇文章中，我们为Monitor添加了一个Start方法，它的作用是启动URL。我们知道，对单个Actor来说消息的处理是线程安全的，但是这个前提是使用“消息”传递的方式进行通信，如果直接调用Start公有方法，便会破坏这种线程安全特性。不过现在的Monitor已经不受接口的限制，可以自由接受任何它可以执行的消息，因此我们只要对外暴露一个Crawl方法即可：
- public class Monitor : Actor< Action< Monitor>>, IPort< Monitor>,
- ICrawlResponseHandler,
- IStatisticRequestHandelr
- {
- ...
- public void Crawl(string url)
- {
- if (this.m_allUrls.Contains(url)) return;
- this.m_allUrls.Add(url);
- if (this.WorkingCrawlerCount < this.MaxCrawlerCount)
- {
- this.WorkingCrawlerCount++;
- IPort< ICrawlRequestHandler> crawler = new Crawler();
- crawler.Post(c => c.Crawl(this, url));
- }
- else
- {
- this.m_readyToCrawl.Enqueue(url);
- }
- }
- }
于是我们便可以向Monitor发送消息，让其抓取特定的URL：
- string[] urls =
- {
- "http://www.cnblogs.com/dudu/",
- "http://www.cnblogs.com/TerryLee/",
- "http://www.cnblogs.com/JeffreyZhao/"
- };
- Random random = new Random(DateTime.Now.Millisecond);
- Monitor monitor = new Monitor(10);
- foreach (var url in urls)
- {
- var urlToCrawl = url;
- monitor.Post(m => m.Crawl(urlToCrawl));
- Thread.Sleep(random.Next(1000, 3000));
- }
上面的代码会每隔1到3秒发出一个抓取请求。由于我们使用了消息传递的方式进行通信，因此对于Monitor来说，这一切都是线程安全的。我们可以随时随地为Monitor添加抓取任务。
接受多种消息（协议）
我们再观察一下Monitor的签名：
class Monitor : Actor< Action< Monitor>>, IPort< Monitor>, ICrawlResponseHandler
可以发现，如今的Monitor已经和它实现的协议没有一对一的关系了。也就是说，它可以添加任意功能，可以接受任意类型的消息，我们只要让它实现另一个接口即可。于是乎，我们再要一个“查询”功能2：
- public interface IStatisticRequestHandelr
- {
- void GetCrawledCount(IPort< IStatisticResponseHandler> requester);
- void GetContent(IPort< IStatisticResponseHandler> requester, string url);
- }
- public interface IStatisticResponseHandler
- {
- void ReplyCrawledCount(int count);
- void ReplyContent(string url, string content);
- }
为了让Monior支持查询，我们还需要为它添加这样的代码：
- public class Monitor : Actor< Action< Monitor>>, IPort< Monitor>,
- ICrawlResponseHandler,
- IStatisticRequestHandelr
- {
- ...
- #region IStatisticRequestHandelr Members
- void IStatisticRequestHandelr.GetCrawledCount(IPort< IStatisticResponseHandler> requester)
- {
- requester.Post(r => r.ReplyCrawledCount(this.m_urlContent.Count));
- }
- void IStatisticRequestHandelr.GetContent(IPort< IStatisticResponseHandler> requester, string url)
- {
- string content;
- if (!this.m_urlContent.TryGetValue(url, out content))
- {
- content = null;
- }
- requester.Post(r => r.ReplyContent(url, content));
- }
- #endregion
- }
最后，我们来尝试着使用这个“查询”功能。首先，我们编写一个测试用的TestStatisticPort类：
- public class TestStatisticPort : IPort< IStatisticResponseHandler>, IStatisticResponseHandler
- {
- private IPort< IStatisticRequestHandelr> m_statisticPort;
- public TestStatisticPort(IPort< IStatisticRequestHandelr> statisticPort)
- {
- this.m_statisticPort = statisticPort;
- }
- public void Start()
- {
- while (true)
- {
- Console.ReadLine();
- this.m_statisticPort.Post(s => s.GetCrawledCount(this));
- }
- }
- #region IPort< IStatisticResponseHandler> Members
- void IPort< IStatisticResponseHandler>.Post(Action< IStatisticResponseHandler> message)
- {
- message(this);
- }
- #endregion
- #region IStatisticResponseHandler Members
- void IStatisticResponseHandler.ReplyCrawledCount(int count)
- {
- Console.WriteLine("Crawled: {0}", count);
- }
- void IStatisticResponseHandler.ReplyContent(string url, string content) { ... }
- #endregion
- }
当调用Start方法时，控制台将会等待用户敲击回车键。当按下回车键时，TestStatisticPort将会向Monitor发送一个IStatisticRequestHandler.GetCrawledCount消息。Monitor回复之后，屏幕上便会显示当前已经抓取成功的URL数目。例如，我们可以编写如下的测试代码：
- static void Main(string[] args)
- {
- var monitor = new Monitor(5);
- monitor.Post(m => m.Crawl("http://www.cnblogs.com/"));
- TestStatisticPort testPort = new TestStatisticPort(monitor);
- testPort.Start();
- }
随意敲击几下回车，结果如下：
总结
如今的做法，兼顾了强类型检查，并使用C# 4.0中的协变和逆变特性，把上一篇文章中提出的问题解决了，不知您是否理解了这些内容？只可惜，我们在C# 3.0中还没有协变和逆变。因此，我们还必须思考一个适合C# 3.0的做法。
顺便一提，由于F#不支持协变和逆变，因此本文的做法无法在F#中使用。
注1：关于协变和逆变特性，我认为脑袋兄的这篇文章讲的非常清楚——您看得头晕了？是的，刚开始了解协变和逆变，以及它们之间的嵌套规则时我也头晕，但是您在掌握之后就会发现，这的确是一个非常有用的特性。
注2：不知您是否发现，与之前internal的Crawl相关接口不同，Statistic相关接口是public的。我们在使用接口作为消息时，也可以通过这种办法来控制哪些消息是可以对外暴露的。这也算是一种额外的收获吧。
本文标题：C#4.0中的协变和逆变
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