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Elixir GenServer

news 来源：原创 2025/7/18 20:22:22

GenServer 是一个用来实现客户端-服务器模式中服务器的行为模块。

GenServer 是一个普通的 Elixir 进程，同其他 Elixir 进程一样，它可以用来保存状态、异步执行代码等。使用这个模块来实现通用服务器进程（GenServer）的优势在于，它有一套标准的接口函数，并提供用于跟踪和错误报告的功能。同时它也可以用到一个监督树中。

示例

GenServer 行为抽象了常见的客户端-服务器模式。开发人员只需要实现他们感兴趣的回调和功能。

让我们从一个例子开始，然后探索可用的回调。假设我们想用 GenServer 实现一个栈服务，可以压入和弹出元素。我们将通过实现三个回调来定制一个通用 GenServer。

init/1 将我们的初始参数转换为 GenServer 的初始状态。 handle_call/3 在服务器收到同步的 pop 消息时触发，从栈中弹出一个元素并返回给用户。 handle_cast/2 在服务器收到异步的 push 消息时触发，将一个元素压入栈中：

defmodule Stack douse GenServer# Callbacks@impl truedef init(elements) doinitial_state = String.split(elements, ",", trim: true){:ok, initial_state}end@impl truedef handle_call(:pop, _from, state) do[to_caller | new_state] = state{:reply, to_caller, new_state}end@impl truedef handle_cast({:push, element}, state) donew_state = [element | state]{:noreply, new_state}end
end

我们将进程的启动、消息传递和消息循环机制留给了 GenServer 行为，我们只用关注栈的具体实现。现在我们可以创建一个进程，并使用 GenServer API 发送消息来与服务交互了：

# Start the server
{:ok, pid} = GenServer.start_link(Stack, "hello,world")# This is the client
GenServer.call(pid, :pop)
#=> "hello"GenServer.cast(pid, {:push, "elixir"})
#=> :okGenServer.call(pid, :pop)
#=> "elixir"

我们通过调用 start_link/2 来启动我们的 Stack ，它需要服务的实现模块和初始参数。GenServer 行为会调用 init/1 回调来生成 GenServer 的初始状态。从此刻开始，GenServer 接管一切，因此我们可以通过向它发送两种类型的消息与它交互。call 消息期望从服务器获得回复（因此是同步的），而 cast 消息则不需要回复。

GenServer.call/3 产生的消息必须由 GenServer 的 handle_call/3 回调处理。而 cast/2 的消息必须由 handle_cast/2 处理。 GenServer 支持 8 个回调，但只有 init/1 是必需的。

当你使用 use GenServer 时， GenServer 模块会设置 @behaviour GenServer 并定义一个 child_spec/1 函数，因此你的模块可以做为监督树的子进程。

客户端/服务端 API

尽管在上述示例中我们直接使用了 GenServer.start_link/3 和相关函数来启动服务器并与之通信，但大多数时候我们不直接调用 GenServer 函数。相反，我们将调用封装到新的函数中，做为服务器的公共 API。这些封装被称为客户端 API。

以下是我们栈模块的升级版：

defmodule Stack douse GenServer# Clientdef start_link(default) when is_binary(default) doGenServer.start_link(__MODULE__, default)enddef push(pid, element) doGenServer.cast(pid, {:push, element})enddef pop(pid) doGenServer.call(pid, :pop)end# Server (callbacks)@impl truedef init(elements) doinitial_state = String.split(elements, ",", trim: true){:ok, initial_state}end@impl truedef handle_call(:pop, _from, state) do[to_caller | new_state] = state{:reply, to_caller, new_state}end@impl truedef handle_cast({:push, element}, state) donew_state = [element | state]{:noreply, new_state}end
end

实际上，将服务器和客户端的函数放在同一个模块中是很常见的。如果服务器或客户端变得越来越复杂，你可能希望将它们放到不同的模块中。

下图总结了客户端和服务器之间的交互。客户端和服务器都是进程，它们通过消息(实线)进行通信。服务器与实现模块的交互发生在 GenServer 进程调用你的代码时(虚线)：

如何监督

一个 GenServer 通常在监督树下启动。当我们调用 use GenServer 时，它会自动定义了一个 child_spec/1 函数，让我们可以直接在监督者下启动 Stack 。通过以下代码我们可以在监督者下启动一个初始为 ["hello", "world"] 的栈：

children = [{Stack, "hello,world"}
]Supervisor.start_link(children, strategy: :one_for_all)

use GenServer 还接受一个选项列表来配置子进程描述，控制它在监督者下的运行方式。生成的 child_spec/1 可以使用以下选项自定义：

:id - 子进程描述的唯一标识，默认是当前模块名。
:restart - 子进程是否应该被重启，默认为 :permanent 。
:shutdown - 如何关闭子进程，立即关闭或给一段时间关闭。

例如：

use GenServer, restart: :transient, shutdown: 10_000

详细信息还请参见 Supervisor 模块中的“子进程描述”部分。紧接在 use GenServer 之前的 @doc 注释会添加到生成的 child_spec/1 函数上。

当停止 GenServer 时，例如从回调返回 {:stop, reason, new_state} 元组，退出原因会被监督者用来确定是否需要重启 GenServer。更多信息请参见 Supervisor 模块中的“退出原因和重启”部分。

命名注册

start_link/3 和 start/3 都支持 GenServer 在启动时通过 :name 选项注册一个名称。注册的名称也会在进程终止时自动清理。支持的值包括：

一个原子 - 使用 Process.register/2 ，GenServer 以此为名称注册到本地(当前节点)。
{:global, term} - 使用 :global 模块的函数将 GenServer 注册到全局，term 是服务名称。
{:via, module, term} - 使用自定义的机制和名称注册服务。 :via 选项需要一个导出了 register_name/2 、 unregister_name/1 、 whereis_name/1 和 send/2 函数的模块。 :global 就是一个这样的模块，它使用这些函数来管理进程名称和PID，使它们对 Elixir 节点网络全局可用。Elixir 还提供了一个本地的、去中心化的、可扩展的注册表叫做 Registry ，用于本地存储动态生成的名称。

进程名称和 PID 之间的关系就像域名和 IP 地址一样。

例如，我们可以像下面这样本地启动并注册 Stack 服务：

# Start the server and register it locally with name MyStack
{:ok, _} = GenServer.start_link(Stack, "hello", name: MyStack)# Now messages can be sent directly to MyStack
GenServer.call(MyStack, :pop)
#=> "hello"

一旦服务启动， GenServer 模块的其他函数(call/3 、 cast/2 等)除了可以通过 PID 来调用，也可以通过 {:global, ...} 或 {:via, ...} 元组调用。总的来说支持以下格式：

PID
原子，如果服务是本地注册的话
{atom, node} ，服务在另一个节点本地注册
{:global, term} ，服务是全局注册的话
{:via, module, name} ，服务通过其他模块自定义注册

如果想要在本地注册动态名称，请不要使用原子，因为原子不会被垃圾回收，因此动态生成的原子也不会被垃圾回收。对于这种情况，可以使用 Registry 模块做为自己的本地注册服务。

接收“常规”消息

GenServer 的目标是为开发者抽象“接收”循环，自动处理系统消息，支持代码变更、同步调用等。因此，永远不要在 GenServer 回调中调用你自己的“接收”代码，这样做会导致 GenServer 行为异常。

除了 call/3 和 cast/2 提供的同步和异步通信外，通过 send/2 、 Process.send_after/4 等发送的“常规”消息可以在 handle_info/2 回调中处理。

handle_info/2 可用于许多情况，例如处理由 Process.monitor/1 发送的监控 DOWN 消息。 handle_info/2 的另一个用例是借助 Process.send_after/4 执行周期性工作：

defmodule MyApp.Periodically douse GenServerdef start_link(_) doGenServer.start_link(__MODULE__, %{})end@impl truedef init(state) do# Schedule work to be performed on startschedule_work(){:ok, state}end@impl truedef handle_info(:work, state) do# Do the desired work here# ...# Reschedule once moreschedule_work(){:noreply, state}enddefp schedule_work do# We schedule the work to happen in 2 hours (written in milliseconds).# Alternatively, one might write :timer.hours(2)Process.send_after(self(), :work, 2 * 60 * 60 * 1000)end
end

超时

init/1 或任何 handle_* 回调的返回值都可以包含一个单位为毫秒的超时时间；如果没有，则为 :infinity 。超时可以用来检测没有消息的空闲期。

timeout() 的用法如下：

如果在超时到达时进程有正在等待处理的消息，超时将被忽略，等待的消息会像往常一样被处理。这意味着即使是 0 毫秒的超时也不能保证被执行（如果你想立即无条件地执行某个动作，请改用 :continue 指令）。
如果在超时到达之前有消息到达，超时将被清除，该消息会像往常一样被处理。
否则，当超时时间过去后没有消息到达， handle_info/2 将被调用，并以 :timeout 作为第一个参数。

何时(不)使用 GenServer

到目前为止，我们已经了解到 GenServer 可以做为被监督的进程用来处理同步和异步调用。还可以处理系统消息，如周期性消息和监控事件。GenServer 进程也可以被命名。

一个 GenServer，或者更通俗的说，一个进程，是用来建模系统的运行时特性的，绝不能被用来组织代码。

在 Elixir 中，代码通过模块和函数来组织，进程不是必须的。例如，想象你正在实现一个计算器，你决定将所有的计算操作放在一个 GenServer 后面：

def add(a, b) doGenServer.call(__MODULE__, {:add, a, b})
enddef subtract(a, b) doGenServer.call(__MODULE__, {:subtract, a, b})
enddef handle_call({:add, a, b}, _from, state) do{:reply, a + b, state}
enddef handle_call({:subtract, a, b}, _from, state) do{:reply, a - b, state}
end

这就是一个反模式，不仅是因为它使计算器逻辑变得复杂，而且因为你将计算逻辑放在了一个单一的进程里面，这个进程可能会成为你系统的瓶颈，特别是随着调用数量增加时。直接定义为函数就行了：

def add(a, b) doa + b
enddef subtract(a, b) doa - b
end

能不使用进程就不要使用进程。只有在需要建模运行时属性时才会使用进程，如可变状态、并发和失败，而不是为了组织代码。

使用 `:sys` 模块进行调试

GenServers 作为一种特殊进程，可以使用 :sys 模块进行调试。通过各种钩子，这个模块允许开发者查看进程的状态，并跟踪执行期间发生的系统事件，如收到的消息、发送的回复以及状态变化。

以下是 :sys 模块用于调试的基本函数：

:sys.get_state/2 - 检索进程的状态。在 GenServer 中下，就是回调模块状态，即传递给回调函数的最后一个参数。
:sys.get_status/2 - 检索进程的状态。这个状态包括进程字典，如果进程正在运行或被挂起，父 PID，调试器状态，以及行为模块的状态，其中包括回调模块状态（由 :sys.get_state/2 返回）。可以通过实现可选的 GenServer.format_status/1 回调来改变这个状态的格式。
:sys.trace/3 - 将所有系统事件打印到 :stdio 。
:sys.statistics/3 - 管理(打开/关闭)进程统计信息的收集。
:sys.no_debug/2 - 关闭给定进程的所有调试句柄。结束后关闭调试是非常重要的。过多的调试句柄或者本应关闭但没有关闭的，可能会严重影响系统的性能。
:sys.suspend/2 - 挂起一个进程，让它只回复系统消息，不回复其他消息。挂起的进程可以通过 :sys.resume/2 重新激活。

让我们看看如何使用这些函数来调试我们之前定义的栈服务器。

{:ok, pid} = Stack.start_link([])
:sys.statistics(pid, true) # turn on collecting process statistics
:sys.trace(pid, true) # turn on event printing
Stack.push(pid, 1)
*DBG* <0.122.0> got cast {push,1}
*DBG* <0.122.0> new state [1]
:ok:sys.get_state(pid)
[1]Stack.pop(pid)
*DBG* <0.122.0> got call pop from <0.80.0>
*DBG* <0.122.0> sent 1 to <0.80.0>, new state []
1:sys.statistics(pid, :get)
{:ok,[start_time: {{2016, 7, 16}, {12, 29, 41}},current_time: {{2016, 7, 16}, {12, 29, 50}},reductions: 117,messages_in: 2,messages_out: 0]}:sys.no_debug(pid) # turn off all debug handlers
:ok:sys.get_status(pid)
{:status, #PID<0.122.0>, {:module, :gen_server},[["$initial_call": {Stack, :init, 1},            # process dictionary"$ancestors": [#PID<0.80.0>, #PID<0.51.0>]],:running,                                        # :running | :suspended#PID<0.80.0>,                                    # parent[],                                              # debugger state[header: 'Status for generic server <0.122.0>', # module statusdata: [{'Status', :running},{'Parent', #PID<0.80.0>},{'Logged events', []}],data: [{'State', [1]}]]]}

示例