π-calculus与资源模型设计

众所周知我是π的支持者。原因很简单，就是π有着对『并发』概念的最小化完备表述。

对于程序员来说我不推荐系统学习各种进程演算或者进程代数，根本上这是基于符号重写的逻辑系统，跟编程的关系不大而且，对逻辑学基础的要求太高了。

但如果要一窥大师思想，我推荐阅读Robin Milner的图灵奖演讲：Elements of interaction，这个网上一搜就有，而且很好读；而且我相信它里面把共享变量看作进程，把通讯拆成I和O两个部分的思想，都是大家可以看懂的，而且，是醍醐灌顶的。

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本文是在实现RP协议的原型时的一个思考。RP协议是一个类似HTTP Restful的通讯协议，但是它不依赖HTTP，在一定程度上它更希望象网络文件系统那样完成通讯双方的交互，但操作语义上选择了Restful的资源模型，而不是文件系统的open/read/write/close流语义。

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在π里，最基础的表达式之一是input prefix，c(x).P这样一个形式，它的意思是P要等到channel c收到一个x消息才开始运行，这非常接近事件驱动模式，实际上，事件和消息并没有真正的区别，在数学上都一样。

但是这里需要注意的是，一旦x出现，这个表达式就被估值了，或者说，发生reduction，它就不再存在了，相当于一个数学表达式计算完了。

这和另一种情况不一样，就像一个库函数，或者一个服务点，函数可以被调用无数次，服务点可以服务无数次，而不是调用一次或者服务一次就消失了；这个时候，在π里，是用!来表达的，这个符号叫做replication，意思是它后面的表达式有无数个，每次reduce一个之后还可以继续使用。

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replication在编程中是广泛存在的，如果一个函数只能用一次大家都会觉得它没什么用了。

但是一个函数或者一个服务点是一次性消费掉的单例（以下称为sink），还是replication，这里区别很大。我们举个例子。

在RP协议里，通讯双方的所有通讯都是通过Message Passing完成的；在这种情况下如果想模拟一个简单的Request/Response：

Client在发出消息的时候要即时创建一个Path，也就是name，或者说channel，π意义上的channel，在π里一切name都是channel；它发出的消息可能是这样的：

{
  to: '/hello',
  from: '/requests/123-456-789', // 临时创建的
  method: 'GET'
}

在Server这端，很明显，/hello是一个replication，而且不是一个sink，如果你往这个Path发送一个message，没有method属性，它不知道怎么处理；换句话说，/hello是replication only的。

Client的from，这个资源很有意思，它首先是一个sink，这个id 123-456-789也应该是一次性的，客户端即时分配它而且应该避免冲突，就像TCP的ephemeral port；

当前面的这个消息发送给Server时，它和异步的π逻辑是一样的，就是Client发送给Server一个操作请求，同时给了它一个name/channel (from)，服务端可以向这个name/channel发送结果，这样就『模拟』了一个异步函数或者RPC过程。

这个from路径可以是一次性的，在返回之后这个路径就『消失』了，和前面说的reduction之后表达式消失了一样；因为它象input prefix一样是接受消息的，所以称为Sink；Sink的反义词是Source，后面会遇到。

from可以同时是一个replication。比如可以接受GET，返回一下请求的参数之类。可能功能上没什么意义，如果它仅仅是一个一次性的Sink，生命周期仅限于一个request/response消息来回的过程。

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但是它的生命周期可能是更长的，比如，服务端返回的并不是一个JSON对象，而是一个Stream，一个Object Stream或者一个Binary Chunk Stream，或者混合，看协议怎么设计。

这个时候这个from路径表示的资源就是一个Stream Sink了，即可以接收多个Message，那它需要表述的信息就丰富很多，比如可以有进度、速度等等。这个时候它兼有replication的服务能力，接受Restful method操作就更有意义。

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更复杂的情况例子。

比如一个HTTP Post/Put/Patch，是需要upload一个stream的。

我们会发现HTTP的设计不是原子化的，它的内部实际上是先发出请求，等待了Server端应答100 Continue，然后继续上传内容的。

在RP里，这些语义被扁平化了。Post/Put/Patch如果需要上传流，Server端立刻返回一个即时创建的Sink Path。比如：

Client请求：

{
    to: '/files',
    from: '/requests/123-456-789',
    method: 'POST',
    ...
}

Server回答：

{
    to: '/requests/123-456-789',
    status: 100,
    sink: '/files/#/sinks/3223a6f3'
}

在Server的回答中，它即时分配了一个sink；之后客户端可以陆续向这个sink发送消息，构成一个stream。

显式创建一个Sink标识，一方面可以简化routing，另一方面，它更符合π的input prefix设计，即使用一个独立的name/channel完成一个独立计算任务；从流的意义上来说，这个input prefix可以使用多次，直到遇到EOF/Null-terminator后消失。

这里有趣的地方是，在Client一端的/requests/123-456-789，它是这个stream的Source标识。

它必须同时是一个replication，WHY？因为实际使用中必然会有取消流或者流控的需求，那服务端直接考虑操作这个资源就可以了，比如：

{
  to: `/requests/123-456-789`,
  method: 'PATCH',
  body: {
    flow: false
  }
}

相当于暂停这个流。

如果这个流暂停了。在一个良好的实现下，在应用层应该类似把request实现成了stream.Writable，这样在应用层应该考虑出现drain事件时才会继续向stream写入。

这是什么？这就是π里的output prefix，对吧，消息的发出可以block一个进程继续执行，直到消息发出为止。

虽然在π里常见的是没有buffer的情况，output prefix和input prefix直接reduce成一个新的表达式；而在实际程序中，buffer总是要用到的，但buffer也一定是有限空间的，最终buffer满了后output prefix会发生的。

异步编程和面向通讯的编程一定是这样的所谓Lazy的，只是在很多语言里实用producer-consumer模式实现，需要用很重的类和pattern；IMHO，在一个良好支持并发/异步的语言中，这个东西越轻越好，node.js里的emitter, stream, callback都是良好设计的典范。

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总结：

1. 区分Sink和Replication很重要，这是两种完全不同的职责；
2. Sink不接受有动词的消息；Replication只接受有动词的消息；一个资源标识可以只有其中一个职责，也可以两者兼具；
3. Stream的Source/Sink都需要独立和唯一的资源标识，更能体现π里的name/channel的含义；也大大简化编程和错误处理，例如在Sink一方已经抛弃了Stream，在Source一方还在发送，你会发现如果不独立建立Stream Sink这时不容易处理得即健壮又有效率；

设计哲学上，单向的Message Passing是底层；Request/Response，Stream，Stream Control，都是上层；但无论哪一层，基于路径的资源标识都是可用的，因为在π里，一切皆name，一切name皆channel，这就是Restful里的URI的真正含义，在RP里发挥到极致。

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Alan Kay在直觉上解释了OO的本质是Message Passing，而Robin Milner在π里给出了最小化的数学定义，我觉得自己不可能比两个图灵奖获得者加起来更聪明了，就躺倒接受先贤先圣的理念就可以了，希望没有误读。