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Procédure pas à pas : création des agents de flux de données

  • Article

Ce document montre comment créer des applications basées sur un agent basées sur un flux de données, au lieu d’un flux de contrôle.

Le flux de contrôle fait référence à l’ordre d’exécution des opérations dans un programme. Le flux de contrôle est réglementé à l’aide de structures de contrôle telles que des instructions conditionnelles, des boucles, etc. Le flux de données fait également référence à un modèle de programmation dans lequel les calculs sont effectués uniquement lorsque toutes les données requises sont disponibles. Le modèle de programmation de flux de données est lié au concept de transmission de messages, dans lequel les composants indépendants d’un programme communiquent entre eux en envoyant des messages.

Les agents asynchrones prennent en charge les modèles de programmation de flux de contrôle et de flux de données. Bien que le modèle de flux de contrôle soit approprié dans de nombreux cas, le modèle de flux de données est approprié dans d’autres, par exemple, lorsqu’un agent reçoit des données et effectue une action basée sur la charge utile de ces données.

Prérequis

Lisez les documents suivants avant de commencer cette procédure pas à pas :

Sections

Cette procédure pas à pas contient les sections suivantes :

Création d’un agent de flux de contrôle de base

Prenons l’exemple suivant qui définit la control_flow_agent classe. La control_flow_agent classe agit sur trois mémoires tampons de message : une mémoire tampon d’entrée et deux mémoires tampons de sortie. La run méthode lit à partir de la mémoire tampon de message source dans une boucle et utilise une instruction conditionnelle pour diriger le flux d’exécution du programme. L’agent incrémente un compteur pour les valeurs non nulles, négatives et incrémente un autre compteur pour les valeurs positives non nulles. Une fois que l’agent reçoit la valeur sentinelle de zéro, il envoie les valeurs des compteurs aux mémoires tampons de message de sortie. Les negatives méthodes permettent positives à l’application de lire les nombres de valeurs négatives et positives de l’agent.

// A basic agent that uses control-flow to regulate the order of program 
// execution. This agent reads numbers from a message buffer and counts the 
// number of positive and negative values.
class control_flow_agent : public agent
{
public:
   explicit control_flow_agent(ISource<int>& source)
      : _source(source)
   {
   }

   // Retrieves the count of negative numbers that the agent received.
   size_t negatives() 
   {
      return receive(_negatives);
   }

   // Retrieves the count of positive numbers that the agent received.
   size_t positives()
   {
      return receive(_positives);
   }

protected:
   void run()
   {
      // Counts the number of negative and positive values that
      // the agent receives.
      size_t negative_count = 0;
      size_t positive_count = 0;

      // Read from the source buffer until we receive
      // the sentinel value of 0.
      int value = 0;      
      while ((value = receive(_source)) != 0)
      {
         // Send negative values to the first target and
         // non-negative values to the second target.
         if (value < 0)
            ++negative_count;
         else
            ++positive_count;
      }

      // Write the counts to the message buffers.
      send(_negatives, negative_count);
      send(_positives, positive_count);

      // Set the agent to the completed state.
      done();
   }
private:
   // Source message buffer to read from.
   ISource<int>& _source;

   // Holds the number of negative and positive numbers that the agent receives.
   single_assignment<size_t> _negatives;
   single_assignment<size_t> _positives;
};

Bien que cet exemple utilise de base le flux de contrôle dans un agent, il illustre la nature série de la programmation basée sur le flux de contrôle. Chaque message doit être traité séquentiellement, même si plusieurs messages peuvent être disponibles dans la mémoire tampon de message d’entrée. Le modèle de flux de données permet aux deux branches de l’instruction conditionnelle d’évaluer simultanément. Le modèle de flux de données vous permet également de créer des réseaux de messagerie plus complexes qui agissent sur les données à mesure qu’elles sont disponibles.

[Haut]

Création d’un agent de flux de données de base

Cette section montre comment convertir la control_flow_agent classe pour utiliser le modèle de flux de données pour effectuer la même tâche.

L’agent de flux de données fonctionne en créant un réseau de mémoires tampons de messages, chacun d’entre eux ayant un but spécifique. Certains blocs de messages utilisent une fonction de filtre pour accepter ou rejeter un message en fonction de sa charge utile. Une fonction de filtre garantit qu’un bloc de messages ne reçoit que certaines valeurs.

Pour convertir l’agent de flux de contrôle en agent de flux de données

  1. Copiez le corps de la control_flow_agent classe vers une autre classe, par exemple dataflow_agent. Vous pouvez également renommer la control_flow_agent classe.

  2. Supprimez le corps de la boucle qui appelle receive la run méthode.

void run()
{
   // Counts the number of negative and positive values that
   // the agent receives.
   size_t negative_count = 0;
   size_t positive_count = 0;

   // Write the counts to the message buffers.
   send(_negatives, negative_count);
   send(_positives, positive_count);

   // Set the agent to the completed state.
   done();
}
  1. Dans la run méthode, après l’initialisation des variables negative_count et positive_count, ajoutez un countdown_event objet qui suit le nombre d’opérations actives.
// Tracks the count of active operations.
countdown_event active;
// An event that is set by the sentinel.
event received_sentinel;

La countdown_event classe est affichée plus loin dans cette rubrique.

  1. Créez les objets de mémoire tampon de message qui participeront au réseau de flux de données.
 //
 // Create the members of the dataflow network.
 //

 // Increments the active counter.
 transformer<int, int> increment_active(
    [&active](int value) -> int {
       active.add_count();
       return value;
    });

 // Increments the count of negative values.
 call<int> negatives(
    [&](int value) {
       ++negative_count;
       // Decrement the active counter.
       active.signal();
    },
    [](int value) -> bool {
       return value < 0;
    });

 // Increments the count of positive values.
 call<int> positives(
    [&](int value) {
       ++positive_count;
       // Decrement the active counter.
       active.signal();
    },
    [](int value) -> bool {
       return value > 0;
    });

 // Receives only the sentinel value of 0.
 call<int> sentinel(
    [&](int value) {            
       // Decrement the active counter.
       active.signal();
       // Set the sentinel event.
       received_sentinel.set();
    },
    [](int value) -> bool { 
       return value == 0; 
    });

 // Connects the _source message buffer to the rest of the network.
 unbounded_buffer<int> connector;
  1. Connectez les mémoires tampons de message pour former un réseau.
//
// Connect the network.
//

// Connect the internal nodes of the network.
connector.link_target(&negatives);
connector.link_target(&positives);
connector.link_target(&sentinel);
increment_active.link_target(&connector);

// Connect the _source buffer to the internal network to 
// begin data flow.
_source.link_target(&increment_active);
  1. Attendez que les event objets soient countdown event définis. Ces événements signalent que l’agent a reçu la valeur sentinelle et que toutes les opérations ont terminé.
// Wait for the sentinel event and for all operations to finish.
received_sentinel.wait();
active.wait();

Le diagramme suivant montre le réseau de flux de données complet pour la dataflow_agent classe :

Réseau de flux de données.

Le tableau ci-dessous décrit les membres du réseau.

Membre Description
increment_active Objet concurrency ::transformer qui incrémente le compteur d’événements actif et transmet la valeur d’entrée au reste du réseau.
negatives, positives concurrency ::call objets qui incrémentent le nombre de nombres et décrémentent le compteur d’événements actif. Les objets utilisent chacun un filtre pour accepter des nombres négatifs ou des nombres positifs.
sentinel Objet concurrency ::call qui accepte uniquement la valeur sentinelle de zéro et décrémente le compteur d’événements actif.
connector Objet concurrency ::unbounded_buffer qui connecte la mémoire tampon de message source au réseau interne.

Étant donné que la run méthode est appelée sur un thread distinct, d’autres threads peuvent envoyer des messages au réseau avant que le réseau soit entièrement connecté. Le _source membre de données est un unbounded_buffer objet qui met en mémoire tampon toutes les entrées envoyées de l’application à l’agent. Pour vous assurer que le réseau traite tous les messages d’entrée, l’agent lie d’abord les nœuds internes du réseau, puis lie le début de ce réseau, connectorau _source membre de données. Cela garantit que les messages ne sont pas traités au fur et à mesure que le réseau est formé.

Étant donné que le réseau de cet exemple est basé sur le flux de données, plutôt que sur le flux de contrôle, le réseau doit communiquer avec l’agent qu’il a terminé de traiter chaque valeur d’entrée et que le nœud sentinel a reçu sa valeur. Cet exemple utilise un countdown_event objet pour signaler que toutes les valeurs d’entrée ont été traitées et un objet concurrency ::event pour indiquer que le nœud sentinel a reçu sa valeur. La countdown_event classe utilise un event objet pour signaler lorsqu’une valeur de compteur atteint zéro. La tête du réseau de flux de données incrémente le compteur chaque fois qu’il reçoit une valeur. Chaque nœud terminal du réseau décrémente le compteur une fois qu’il traite la valeur d’entrée. Une fois que l’agent forme le réseau de flux de données, il attend que le nœud Sentinel définisse l’objet event et que l’objet countdown_event signale que son compteur a atteint zéro.

L’exemple suivant montre les classes et countdown_event dataflow_agentles control_flow_agentclasses. La wmain fonction crée un control_flow_agent objet et dataflow_agent utilise la send_values fonction pour envoyer une série de valeurs aléatoires aux agents.

// dataflow-agent.cpp
// compile with: /EHsc 
#include <windows.h>
#include <agents.h>
#include <iostream>
#include <random>

using namespace concurrency;
using namespace std;

// A basic agent that uses control-flow to regulate the order of program 
// execution. This agent reads numbers from a message buffer and counts the 
// number of positive and negative values.
class control_flow_agent : public agent
{
public:
   explicit control_flow_agent(ISource<int>& source)
      : _source(source)
   {
   }

   // Retrieves the count of negative numbers that the agent received.
   size_t negatives() 
   {
      return receive(_negatives);
   }

   // Retrieves the count of positive numbers that the agent received.
   size_t positives()
   {
      return receive(_positives);
   }

protected:
   void run()
   {
      // Counts the number of negative and positive values that
      // the agent receives.
      size_t negative_count = 0;
      size_t positive_count = 0;

      // Read from the source buffer until we receive
      // the sentinel value of 0.
      int value = 0;      
      while ((value = receive(_source)) != 0)
      {
         // Send negative values to the first target and
         // non-negative values to the second target.
         if (value < 0)
            ++negative_count;
         else
            ++positive_count;
      }

      // Write the counts to the message buffers.
      send(_negatives, negative_count);
      send(_positives, positive_count);

      // Set the agent to the completed state.
      done();
   }
private:
   // Source message buffer to read from.
   ISource<int>& _source;

   // Holds the number of negative and positive numbers that the agent receives.
   single_assignment<size_t> _negatives;
   single_assignment<size_t> _positives;
};

// A synchronization primitive that is signaled when its 
// count reaches zero.
class countdown_event
{
public:
   countdown_event(unsigned int count = 0L)
      : _current(static_cast<long>(count)) 
   {
      // Set the event if the initial count is zero.
      if (_current == 0L)
         _event.set();
   }
     
   // Decrements the event counter.
   void signal() {
      if(InterlockedDecrement(&_current) == 0L) {
         _event.set();
      }
   }

   // Increments the event counter.
   void add_count() {
      if(InterlockedIncrement(&_current) == 1L) {
         _event.reset();
      }
   }
   
   // Blocks the current context until the event is set.
   void wait() {
      _event.wait();
   }
 
private:
   // The current count.
   volatile long _current;
   // The event that is set when the counter reaches zero.
   event _event;

   // Disable copy constructor.
   countdown_event(const countdown_event&);
   // Disable assignment.
   countdown_event const & operator=(countdown_event const&);
};

// A basic agent that resembles control_flow_agent, but uses uses dataflow to 
// perform computations when data becomes available.
class dataflow_agent : public agent
{
public:
   dataflow_agent(ISource<int>& source)
      : _source(source)
   {
   }

   // Retrieves the count of negative numbers that the agent received.
   size_t negatives() 
   {
      return receive(_negatives);
   }

   // Retrieves the count of positive numbers that the agent received.
   size_t positives()
   {
      return receive(_positives);
   }

protected:
   void run()
   {
      // Counts the number of negative and positive values that
      // the agent receives.
      size_t negative_count = 0;
      size_t positive_count = 0;

      // Tracks the count of active operations.
      countdown_event active;
      // An event that is set by the sentinel.
      event received_sentinel;
      
      //
      // Create the members of the dataflow network.
      //
     
      // Increments the active counter.
      transformer<int, int> increment_active(
         [&active](int value) -> int {
            active.add_count();
            return value;
         });

      // Increments the count of negative values.
      call<int> negatives(
         [&](int value) {
            ++negative_count;
            // Decrement the active counter.
            active.signal();
         },
         [](int value) -> bool {
            return value < 0;
         });

      // Increments the count of positive values.
      call<int> positives(
         [&](int value) {
            ++positive_count;
            // Decrement the active counter.
            active.signal();
         },
         [](int value) -> bool {
            return value > 0;
         });

      // Receives only the sentinel value of 0.
      call<int> sentinel(
         [&](int value) {            
            // Decrement the active counter.
            active.signal();
            // Set the sentinel event.
            received_sentinel.set();
         },
         [](int value) -> bool { 
            return value == 0; 
         });

      // Connects the _source message buffer to the rest of the network.
      unbounded_buffer<int> connector;
       
      //
      // Connect the network.
      //

      // Connect the internal nodes of the network.
      connector.link_target(&negatives);
      connector.link_target(&positives);
      connector.link_target(&sentinel);
      increment_active.link_target(&connector);

      // Connect the _source buffer to the internal network to 
      // begin data flow.
      _source.link_target(&increment_active);

      // Wait for the sentinel event and for all operations to finish.
      received_sentinel.wait();
      active.wait();
           
      // Write the counts to the message buffers.
      send(_negatives, negative_count);
      send(_positives, positive_count);

      // Set the agent to the completed state.
      done();
   }

private:
   // Source message buffer to read from.
   ISource<int>& _source;
   
   // Holds the number of negative and positive numbers that the agent receives.
   single_assignment<size_t> _negatives;
   single_assignment<size_t> _positives;
};

// Sends a number of random values to the provided message buffer.
void send_values(ITarget<int>& source, int sentinel, size_t count)
{
   // Send a series of random numbers to the source buffer.
   mt19937 rnd(42);
   for (size_t i = 0; i < count; ++i)
   {
      // Generate a random number that is not equal to the sentinel value.
      int n;
      while ((n = rnd()) == sentinel);

      send(source, n);      
   }
   // Send the sentinel value.
   send(source, sentinel);   
}

int wmain()
{
   // Signals to the agent that there are no more values to process.
   const int sentinel = 0;
   // The number of samples to send to each agent.
   const size_t count = 1000000;

   // The source buffer that the application writes numbers to and 
   // the agents read numbers from.
   unbounded_buffer<int> source;

   //
   // Use a control-flow agent to process a series of random numbers.
   //
   wcout << L"Control-flow agent:" << endl;

   // Create and start the agent.
   control_flow_agent cf_agent(source);
   cf_agent.start();
   
   // Send values to the agent.
   send_values(source, sentinel, count);
   
   // Wait for the agent to finish.
   agent::wait(&cf_agent);
   
   // Print the count of negative and positive numbers.
   wcout << L"There are " << cf_agent.negatives() 
         << L" negative numbers."<< endl;
   wcout << L"There are " << cf_agent.positives() 
         << L" positive numbers."<< endl;  

   //
   // Perform the same task, but this time with a dataflow agent.
   //
   wcout << L"Dataflow agent:" << endl;

   // Create and start the agent.
   dataflow_agent df_agent(source);
   df_agent.start();
   
   // Send values to the agent.
   send_values(source, sentinel, count);
   
   // Wait for the agent to finish.
   agent::wait(&df_agent);
   
   // Print the count of negative and positive numbers.
   wcout << L"There are " << df_agent.negatives() 
         << L" negative numbers."<< endl;
   wcout << L"There are " << df_agent.positives() 
         << L" positive numbers."<< endl;
}

Cet exemple produit l’exemple de sortie suivant :

Control-flow agent:
There are 500523 negative numbers.
There are 499477 positive numbers.
Dataflow agent:
There are 500523 negative numbers.
There are 499477 positive numbers.

Compilation du code

Copiez l’exemple de code et collez-le dans un projet Visual Studio, ou collez-le dans un fichier nommé dataflow-agent.cpp , puis exécutez la commande suivante dans une fenêtre d’invite de commandes Visual Studio.

cl.exe /EHsc dataflow-agent.cpp

[Haut]

Création d’un agent de journalisation des messages

L’exemple suivant montre la log_agent classe, qui ressemble à la dataflow_agent classe. La log_agent classe implémente un agent de journalisation asynchrone qui écrit des messages de journal dans un fichier et dans la console. La log_agent classe permet à l’application de catégoriser les messages comme des messages d’information, d’avertissement ou d’erreur. Elle permet également à l’application de spécifier si chaque catégorie de journal est écrite dans un fichier, la console ou les deux. Cet exemple écrit tous les messages de journal dans un fichier et uniquement les messages d’erreur dans la console.

// log-filter.cpp
// compile with: /EHsc 
#include <windows.h>
#include <agents.h>
#include <sstream>
#include <fstream>
#include <iostream>

using namespace concurrency;
using namespace std;

// A synchronization primitive that is signaled when its 
// count reaches zero.
class countdown_event
{
public:
    countdown_event(unsigned int count = 0L)
        : _current(static_cast<long>(count)) 
    {
        // Set the event if the initial count is zero.
        if (_current == 0L)
        {
            _event.set();
        }
    }

    // Decrements the event counter.
    void signal()
    {
        if(InterlockedDecrement(&_current) == 0L)
        {
            _event.set();
        }
    }

    // Increments the event counter.
    void add_count()
    {
        if(InterlockedIncrement(&_current) == 1L)
        {
            _event.reset();
        }
    }

    // Blocks the current context until the event is set.
    void wait()
    {
        _event.wait();
    }

private:
    // The current count.
    volatile long _current;
    // The event that is set when the counter reaches zero.
    event _event;

    // Disable copy constructor.
    countdown_event(const countdown_event&);
    // Disable assignment.
    countdown_event const & operator=(countdown_event const&);
};

// Defines message types for the logger.
enum log_message_type
{
    log_info    = 0x1,
    log_warning = 0x2,
    log_error   = 0x4,
};

// An asynchronous logging agent that writes log messages to 
// file and to the console.
class log_agent : public agent
{
    // Holds a message string and its logging type.
    struct log_message
    {
        wstring message;
        log_message_type type;
    };

public:
    log_agent(const wstring& file_path, log_message_type file_messages, log_message_type console_messages)
        : _file(file_path)
        , _file_messages(file_messages)
        , _console_messages(console_messages)
        , _active(0)
    {
        if (_file.bad())
        {
            throw invalid_argument("Unable to open log file.");
        }
    }

    // Writes the provided message to the log.
    void log(const wstring& message, log_message_type type)
    {  
        // Increment the active message count.
        _active.add_count();

        // Send the message to the network.
        log_message msg = { message, type };
        send(_log_buffer, msg);
    }

    void close()
    {
        // Signal that the agent is now closed.
        _closed.set();
    }

protected:

    void run()
    {
        //
        // Create the dataflow network.
        //

        // Writes a log message to file.
        call<log_message> writer([this](log_message msg)
        {
            if ((msg.type & _file_messages) != 0)
            {
                // Write the message to the file.
                write_to_stream(msg, _file);
            }
            if ((msg.type & _console_messages) != 0)
            {
                // Write the message to the console.
                write_to_stream(msg, wcout);
            }
            // Decrement the active counter.
            _active.signal();
        });

        // Connect _log_buffer to the internal network to begin data flow.
        _log_buffer.link_target(&writer);

        // Wait for the closed event to be signaled.
        _closed.wait();

        // Wait for all messages to be processed.
        _active.wait();

        // Close the log file and flush the console.
        _file.close();
        wcout.flush();

        // Set the agent to the completed state.
        done();
    }

private:
    // Writes a logging message to the specified output stream.
    void write_to_stream(const log_message& msg, wostream& stream)
    {
        // Write the message to the stream.
        wstringstream ss;

        switch (msg.type)
        {
        case log_info:
            ss << L"info: ";
            break;
        case log_warning:
            ss << L"warning: ";
            break;
        case log_error:
            ss << L"error: ";
        }

        ss << msg.message << endl;
        stream << ss.str();
    }

private:   
    // The file stream to write messages to.
    wofstream _file;

    // The log message types that are written to file.
    log_message_type _file_messages;

    // The log message types that are written to the console.
    log_message_type _console_messages;

    // The head of the network. Propagates logging messages
    // to the rest of the network.
    unbounded_buffer<log_message> _log_buffer;

    // Counts the number of active messages in the network.
    countdown_event _active;

    // Signals that the agent has been closed.
    event _closed;
};

int wmain()
{
    // Union of all log message types.
    log_message_type log_all = log_message_type(log_info | log_warning  | log_error);

    // Create a logging agent that writes all log messages to file and error 
    // messages to the console.
    log_agent logger(L"log.txt", log_all, log_error);

    // Start the agent.
    logger.start();

    // Log a few messages.

    logger.log(L"===Logging started.===", log_info);

    logger.log(L"This is a sample warning message.", log_warning);
    logger.log(L"This is a sample error message.", log_error);

    logger.log(L"===Logging finished.===", log_info);

    // Close the logger and wait for the agent to finish.
    logger.close();
    agent::wait(&logger);
}

Cet exemple écrit la sortie suivante dans la console.

error: This is a sample error message.

Cet exemple produit également le fichier log.txt, qui contient le texte suivant.

info: ===Logging started.===
warning: This is a sample warning message.
error: This is a sample error message.
info: ===Logging finished.===

Compilation du code

Copiez l’exemple de code et collez-le dans un projet Visual Studio, ou collez-le dans un fichier nommé log-filter.cpp , puis exécutez la commande suivante dans une fenêtre d’invite de commandes Visual Studio.

cl.exe /EHsc log-filter.cpp

[Haut]

Voir aussi

Procédures pas à pas relatives au runtime d’accès concurrentiel