リアクティブシステムとAkka

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Reactive Systems と Akka
前出祐吾 @yugolf

TIS株式会社
前出祐吾 @yugolf
最近の研究テーマ
オープン環境で⾼可⽤システムどうやって構築する？
最近翻訳した本
最近書いた記事
ThinkIT：Akka HTTPでWeb APIに仕⽴てる
2
⾃⼰紹介
本⽇公開

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本⽇のお話
リアクティブシステムが解決する問題が何で、
どう解決するかをAkkaを通じて知る
• 注意
- ⾃⾝がAkkaに取り組んでいるモチベーション的観点でお話します
- 解決策はいろいろあるので、その⼀つとして聞いてください

アジェンダ
•リアクティブシステムの説明
•Akkaとは
•アクターモデル
•Akkaのアクター
•耐障害性についてもう少し
アジェンダ

リアクティブシステム
• メッセージ駆動のアーキテクチャによりユーザーの要求に可能な限り迅速に
レスポンスする（即応性）システム
• ⾼負荷状況や問題が検出された時でも応答時間を⼀定⽔準に保ち（弾⼒
性）、部分的な障害が発⽣した時にもシステム全体を危険にさらすことなく
回復させる（耐障害性）
※リアクティブ宣言（https://www.reactivemanifesto.org/ja）より

つまり、解決する問題は？
• システムの利⽤者が増え、扱うデータも増える
• それでも、「もっと速く」、「２４時間３６５⽇」 
とユーザーの要求は⾼まるばかり
• もうこれまでのアーキテクチャでは限界
必要なのは？
リアクティブシステム！！
⾮同期、ノンブロッキング、⾼可⽤性、疎結合、
スケーラビリティ、並⾏、並列、分散、⾼スループット、
低レイテンシー、、、、

障害はそれぞれのコンポーネントに封じ込められ、コンポーネント
は互いに隔離されるので、システムが部分的に故障してもシステム
全体を危険に晒すことなしに回復することが保証される。
7
デモムービー - 耐障害性（Resilient）編 -
細かい仕組みはひとまずおいておいて
デモムービーで雰囲気を掴んでください

リアクティブプログラミングでリアクティブシステム
Future
Reactive Streams
RxJava
RxScala
CompletableFuture
リアクティブシステム
アーキテクチャレベルで４つの原則を適用
例：リアクティブシステムを適⽤して構築されたマイクロサービス
マイクロサービス
リアクティブプログラミングすれば、必ずしもリアクティブシステムが
できあがるとは限らない
✓１つのノードがクラッシュしても回復する⼒があるか？
✓スケールアウト・スケールインできるか？
リアクティブプログラミング
リアクティブシステムを構築する
プログラミング技術のひとつ

⼿段となるメッセージ駆動
コンポーネント
コンポーネント
メッセージ駆動を実現するツールキットAkka
リアクティブシステムは⾮同期なメッセージパッシングによっ
てコンポーネント間の境界を確⽴する

Akkaとは
10
第1章 Akkaの紹介

Akkaとは
並⾏・分散システムを構築するためのツールキット
• スケールアップ（並⾏）やスケール
アウト（分散）の実現によるアプリ
ケーションの複雑化を抑⽌
https://livebook.manning.com/#!/book/akka-in-action/chapter-1/

単⼀のプログラミングモデルでスケールアップ・スケールアウト
アクターモデルはメッセージの送受信を抽象化することにより、
実装とスレッドの数やサーバーの台数に対する結合度を下げる
シングルスレッドで実⾏複数サーバーで実⾏
逐次処理並⾏処理分散処理
アクターモデル
マルチコアで実⾏
位置透過性

13
第2章最⼩のAkkaアプリケーション

アクターモデルとは
並⾏的に受信するメッセージに対する以下のふるまいを備える
• アクターを作る
• アクターにメッセージを送信する
• メッセージを受信したときの動作を指定する
トラディショナルモデルとの違い
トラディショナルモデル
逐次実⾏が基本で部分的に並⾏処理を実装
本質的に並⾏

本質的に並⾏？
顧客
チケット販売員
Buy
Buy
Buy
メールボックス
Akkaを使うことでアクターのプログラミングに集中できる
• コンポーネント間のやり取りはメッセージで行う
• 関数の応答を待つ必要はなく並行に処理される
• アクターはメールボックスを持ち到着順に処理する

もしあなたがErlangの世界のアクターだった場合
「すごいErlangゆかいに学ぼう！」より
https://www.ymotongpoo.com/works/lyse-ja/ja/01_introduction.html
あなたは孤独な⼈間で、窓もない暗い部屋に座っていて、
メールボックスにメッセージが届くのを待っている状態で
す。
そしてメッセージを受け取ると、それに対して特定の⽅法で
反応します：メッセージを受け取るときにお⾦を払い、誕⽣
⽇カードには「ありがとう(“Thank you”)」という⽂字で返
事をし、理解出来ない⽂字は無視するという具合です。

Akkaのアクター
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第2章最⼩のAkkaアプリケーション

トラディショナルスタイルとAkkaを４つのケースで⽐較
Akkaとは／概要／従来型との違い／アクターのプログ
ラミングモデル／Akkaのアクター
1)データを保存して耐久性のあるものにしたい
2)インタラクティブな機能を実装したい
3)サービスを分離して疎結合にしたい
4)システム全体の障害を避けたい

1)データを耐久性のあるものにしたい
インメモリーに状態を持ち、ロック制御なしに書き換える
１万円引落し
１万円引落し
残⾼
１万円
ATM
モバイル
１万円引落し
１万円引落し
ロック ATM
モバイル
⼝座
残⾼
１万円
トラディショナル Akka
ボトルネック

状態をイベントとして永続化しておき（Akka Persistence）、
これらを再⽣することで状態を復元できる
• １万円引落
• １万円引落
• ３万円預⼊
「スケールアウトしやすいようステートレスに」、
から「ステートフルでスケーラブルに」
イベントの永続化
イベントの再⽣
１万円引落し
１万円引落し
ATM
モバイル
⼝座
残⾼
１万円

2)インタラクティブな機能を作りたい
メッセージパッシングなので基本プッシュ
ポーリング
@Bob “こんにちは!”
Alice Bob
プッシュ
Alice Bob
チャットサーバー

チャットサーバーメンションサーバー
- 時間的疎結合：メッセージの応答を待たない
- 機能的疎結合：送信後どうなったか知らない
- 位置的疎結合：別サーバーにいてもいい
22
メッセージパッシングなので元々⾮同期で疎結合
• 密結合は複雑度をあげる
• 変更容易＝技術的負債になりづらい、ほどよい疎結合
「メンション」がメッセー
ジを受信したときのふる
まいを定義するだけ
「メンション」のふるまい
が変わっても「会話」は影
響を受けない
チャット
エンキュー
デキュー
会話
メンションMeメンション

アクターでエラーが発⽣したらスーパーバイザーへ
１万円引落し
故障！！
故障中
システムをダウンさせないよう、
すべての障害を想定しCatch
現⾦引き出し
try {
Atm.takeOutCash()
} catch () {
// 障害が発⽣したときの処理
}
障害制御はスーパーバイザーに任せる
Dave
ATM モバイル
スーパーバイザー
- 障害制御においても疎結合

スーパーバイザーヒエラルキー
https://doc.akka.io/docs/akka/2.5/general/supervision.html
Akkaは適切な単位で障害制御を⾏うため、スーパーバイザー
ヒエラルキーを持つ
https://livebook.manning.com/#!/book/akka-in-action/chapter-1/

DB インメモリーで状態を持ちイベントを永続化
2)インタラクティブな機能を実装したい
ポーリングメッセージパッシング
キューアクター間は疎結合
全障害シナリオをキャッチコンポーネント間で影響なし
トラディショナルスタイルとAkkaを４つのケースで⽐較してみた

耐障害性についてもう少し
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• サービスのレスポンスが遅いときがある
• サービスが使えないときがある
即応性のないサービスを使いますか？

• サービスのレスポンスが遅いときがある
✓弾⼒性を備え、トラフィックが⾼いときも即応性を維持
✓RDBMSへのロック＆アップデートから脱却
✓アクターの状態をアップデート
✓アクターは受信したメッセージを順に処理するため競合しない
即応性を持たせるにはどうすればよいか？１／２
• １万円引落
• １万円引落
• ３万円預⼊
イベントの永続化
イベントの再⽣
１万円引落し
１万円引落し
ATM
モバイル
⼝座
残⾼
１万円

• サービスが使えなくなるときがある
✓耐障害性を備え、部分的な障害で留め全体をダウンさせない
✓Akkaクラスタ使って⼀部のノードに障害が発⽣しても、残りの
ノードで処理を継続
即応性を持たせるにはどうすればよいか？２／２
ノード
アクター
正常なノードに移動
障害発⽣

ダウンしたノードは何もしないため、⾳信不通＝ダウンとみなし回復
ダウンした後、使えるようになるまでの時間
- 障害検知 5s
- ハートビート間隔
- ハートビートの応答待ち時間
- 誤検知防⽌待ち時間
- クラスタメンバーの状態が浸透するまでの時間 7s※
- 同⼀アクターが複数⽣成されるのを防⽌するマージン 7s※
- アクターの再⽣成 αs
※５ノードの場合の推奨値
ノード間で常時
ヘルスチェック

• ダウンしたノードを⾃動的に復元するのは危険
• ネッドワーク分断時にSplit Brainが発⽣する
• Akka Sprit Brain Resolver（商⽤機能）
• 短すぎる設定でも同様の問題が発⽣
同⼀アクターが複数存在する危険性

リアクティブジャーニー
Akka Actorでトラフィックが⾼いときも即応性を維持
Akka Persistenceでデータに耐久性を
サーバー障害時も動作し続ける、レジリエンスなシステムを⽬指し
Akka Clusterでクラスタを
ネットワーク分断が発⽣したときも⼀貫性を失わないよう
Akka Split Brain Resolverを使って不要なノードをダウンさせる
データセンター障害時にも備えておきたい！
（Akka MultiDCを使って複数データセンターにクラスタを組む）

Akkaのエコシステム
拡張機能機能
Akka Actors 低レベルなスレッドプログラミングを⾏わずに並⾏分散シス
テムを実現できるモデル
Akka Streams ノンブロッキングなバックプレッシャーを備えた⾮同期スト
リーム処理を直感的かつ安全に実現
Akka Http モダン、⾼速、⾮同期、ストリームファーストなHTTPサー
バーとクライアント
Akka Cluster システムを複数ノードに分散させ、レジリエンスと弾⼒性を
実現
Cluster Sharding 識別⼦に基づいてアクターをクラスター全体に分散
Distributed Data 結果整合性、⾼スループット、低レイテンシを実現するデー
タ構造
Alpakka 他の技術と統合するためのAkkaStreamのコネクタ
Akka Persistence イベントソーシングで再起動後も同じ状態に復元
Akka Management クラウド上でAkkaシステムを運⽤するための拡張（k8s、
AWS）
Commercial Addons split brain resolver, Multi-DC Persistenceなどの商⽤機能
https://akka.io/docs/

最後に
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まとめ

まとめ
• リアクティブシステムは４つの原則を満たすアーキテクチャ
• トラフィックが増えデータも増える中、24×7とにかく早いレス
ポンスが求められる
• アクターモデルがメッセージ駆動を実現
• Akkaは並⾏処理や分散システムの構築における複雑度の上昇を
抑⽌してくれるツールキット
• Akka Extensionsや商⽤機能を利⽤することでよりレジリエン
スなシステムを構築できる
注）ただし、ものごとが並⾏に起こるということをデザインする
ことは容易ではない。⼈類には…

どこからはじめる？
• ⼤きいファイルのアップロードにAkka Streamsを使ってみる
• バッチ処理の性能改善にAkka Streamsを使ってみる
• アクターのタイマーをトリガーに使ってみる
並⾏プログラミングからクラスタリング
そして、リアクティブシステムへ

どうやってはじめる？
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• Akka実践バイブル（翔泳社）
• メニーコア時代のパラダイムリアクティブシステムを知ろう(ThinkIT)
Kindle版は固定レイアウトなので電子書籍ならPDF版がオススメ
• Reactive Architecture: Introduction to Reactive Systems
• Reactive Architecture: Domain Driven Design
• Reactive Architecture: Reactive Microservices (Coming Soon!)
- 動画（スクリプト付き）で学び、簡単なテストで理解を確認しながら自分
のペースで進められる
- コンプリートしたら認定証みたいなのも発行されるので多少達成感もある？

We are hiring!
38
いっしょに人類の限界に挑戦しませんか？
注）ものごとが並⾏に起こるということをデザインする
ことは容易ではない⼈類には…
究極の可⽤性を⼿に⼊れるべく
ダウンタイムの短縮にチャレンジしています。

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