1973-Actor 模型#

案件摘要#

1973 年，MIT AI Lab 的 Carl Hewitt 發表《A Universal Modular ACTOR Formalism for Artificial Intelligence》（IJCAI 1973），提出一個驚世駭俗的主張：計算的基本單位不是函數，而是「actor」——一個擁有信箱、永不同步等待、只靠非同步訊息傳遞溝通的獨立個體。Hewitt 用「小惡魔」（little demons）比喻這些並行運作的感知器：AI 系統需要一群各自為政的小惡魔同時窺探世界，而不是一個大型序列程序依序巡邏。同一年，Gerry Sussman 想比較 actor 與 closure 的異同，辯論的副產品是 Scheme 語言的誕生。本案追查：Actor 的三條定律是什麼，它與 closure、與 Hoare 的 CSP 有何本質差異，以及它如何成為 Erlang、Akka、Go 的思想祖源。

前因 -- 為什麼會有這個案子#

LISP（1958/1960）的計算模型是純序列的：一次求值一個 expression，等待結果、再求下一個——對 AI 中需要並行感知的「小惡魔」架構完全不夠用。
1970 年代初，共享記憶體並行程式設計一片混亂：race condition、deadlock、semaphore 的正確性無人能保證，debug 靠運氣。
Hewitt 的 Planner 語言（1971）已經用「pattern-directed invocation」做 AI 推理，但仍是單機序列；他想要一個「universal modular」的形式論，讓模組可以任意並行組合。
1972 年，Gerry Sussman 與 Guy Steele 受邀在 Hewitt 的組裡實作 actor 語言的小版本；他們想搞清楚「actor 到底比 closure 多了什麼」。
同期，Hoare 正醞釀 Communicating Sequential Processes（1978），陣營對峙：同步（rendezvous）對非同步（信箱）——兩條路線的戰爭延燒四十年。
硬體層面，多處理器機器（如 MIT 的 Concurrent LISP 機器）開始出現，軟體理論必須跟上。

線索與推理 -- 數學式、程式、理論#

線索一：Actor 的三條定律#

一個 actor 收到訊息後，能且只能做三件事（Hewitt 1973；Baker-Hewitt 1977 形式化為「laws for communicating parallel processes」）：

傳送有限個訊息給其他 actors（位址可以是自己的、別人的、或訊息裡附帶的）。
創造有限個新的 actors（新 actor 的行為由定義給定，位址即時可用）。
指定下一則訊息到來時要採用的行為（可以更換自己的行為——這就是狀態演化的唯一途徑）。

形式化地，actor 的計算是一個非同步事件系統：每個事件 \(e = (\text{actor}, \text{message}, \text{audience})\) 表示「actor 收到 message，把訊息發給 audience」。事件之間只有偏序（partial order）關係——發送先於接收——不存在全域時鐘：

\[ e \prec e' \;\equiv\; e \text{ 的訊息傳送 } \to e' \text{ 的訊息接收} \]

整個系統的「計算」就是這個偏序集合的極小模型。沒有共享變數、沒有鎖、沒有全域順序——一切因果關係都被顯式寫在訊息傳遞裡。

線索二：actor vs closure——Sussman 的疑惑#

Sussman 當年的關鍵問題：「actor 與 LISP closure 到底差在哪？」Steele 與 Sussman 實作後發現：兩者驚人地相似——都是「攜帶環境的程序」。唯一差別是通訊協定：

closure：呼叫後同步等待返回值（functional 風格）。
actor：發訊息後不等，繼續做別的事；結果若需要，必須以「回程訊息」送達另一個 actor。

為了研究這個差異，他們造了一個叫 Schemer 的玩具直譯器（磁帶機命名限制下縮短為 Scheme）——原本是 actor 研究的副產品，結果成了函數式編程的支柱。

線索三：CSP 的對照——同步 vs 非同步#

Hoare 1978 年的 CSP 選了相反的路：程序間通訊是同步的 rendezvous——P ! x 與 Q ? x 必須兩邊同時到位，否則雙方都阻塞。CSP 的數學核心是 trace model：

\[ \text{trace}(P) = \langle a_1, a_2, \ldots \rangle \quad (\text{可觀測事件序列，} a_i \in \Sigma) \]

CSP 用「事件序列的集合」定義程序等價性；Actor 用「事件偏序」定義。同步 CSP 容易證明（時序簡單），非同步 Actor 容易規模化（不阻塞）。Erlang 選 Actor，occam 選 CSP，Go 的 channel 介於兩者之間。

程式示範：Python mini Actor 模型#

用 queue.Queue 當信箱，threading 當排程器，實作 Actor 三定律：

import threading, queue, time

class Actor:
    def __init__(self):
        self.mailbox = queue.Queue()
        self.behavior = self.default_behavior
        threading.Thread(target=self._loop, daemon=True).start()

    def _loop(self):
        while True:
            msg = self.mailbox.get()
            # 三條定律的執行點：行為內部可傳送、可 spawn、可換行為
            self.behavior(self, msg)

    def default_behavior(self, ctx, msg):
        print("unknown:", msg)

    def send(self, msg):
        self.mailbox.put(msg)   # 非同步：不等對方處理

def spawn(behavior):
    a = Actor()
    a.behavior = behavior
    return a

class Cell(Actor):
    # 一個「可變儲存格」actor：狀態只靠行為更替演化（定律三）
    def value_behavior(self, ctx, msg, val):
        op = msg[0]
        if op == "get":
            msg[1].send(("ok", val))          # 定律一：回程訊息
        elif op == "set":
            self.behavior = lambda c, m: self.value_behavior(c, m, msg[1])

c = Cell(); c.behavior = lambda ctx, m: c.value_behavior(ctx, m, 0)
client = spawn(lambda ctx, m: print("client got", m))
c.send(("set", 42)); c.send(("get", client))
time.sleep(0.2)

注意 client.send 與 c.send 都是非同步的：發送者從不等待。儲存格的「狀態」不存在共享變數裡，而是編碼在行為函數的參數中——這正是 Baker-Hewitt 定律三的展現。

破案時刻#

Steele 與 Sussman 在 1975-76 年間的實驗報告中寫下結論：actor 就是「不能同步回傳值的 closure」。Hewitt 對這個化約不以為然，但兩條路線就此分家：一條通往 Scheme 與純函數式，一條通往 Erlang 與訊息傳遞。案件的真相是：並行的本質不是共享狀態，而是訊息的因果序。

結案 -- 後果與影響#

Erlang（1986 開發，1993 穩定，Ericsson）直接採用 Actor 行程模型：每個行程一個信箱、無共享、非同步訊息，成為電信級容錯系統的支柱。
Akka（2009，Scala）把 Actor 模型帶進 JVM 生態；Elixir（2012）繼承 Erlang VM。
Go 的 goroutine 與 channel（2009）屬於同一「訊息傳遞而非共享狀態」傳統——"Don't communicate by sharing memory; share memory by communicating."
「並行正確性靠隔離與訊息」的哲學成為分散式系統的預設思維，影響雲端微服務架構。
Scheme 從 actor 研究的副產品，成為 continuation、尾呼叫優化、函數式教學的標準載體——案件的意外收穫。
Actor 的事件偏序模型影響了分散式系統理論（Lamport 的 happened-before 關係，1978，與 Hewitt 的偏序同源）。

關鍵人物與文獻#

Carl Hewitt, Peter Bishop, Richard Steiger, "A Universal Modular ACTOR Formalism for Artificial Intelligence", Proceedings of IJCAI 1973, pp. 235–245.
Henry Baker & Carl Hewitt, "Laws for Communicating Parallel Processes", Proceedings of IFIP Congress 1977, pp. 987–992.
Carl Hewitt & Henry Baker, "Actors and Continuous Functionals", Proceedings of IFIP Working Conference on Formal Description of Programming Concepts, 1977.
Gerald Jay Sussman & Guy Lewis Steele Jr., "SCHEME: An Interpreter for Extended Lambda Calculus", MIT AI Memo 349, 1975.
C. A. R. Hoare, "Communicating Sequential Processes", Communications of the ACM 21(8), 1978, pp. 666–677.
Joe Armstrong, "Making reliable distributed systems in the presence of software errors", PhD thesis, KTH, 2003（Erlang 的 Actor 模型總結）.