Práticas recomendadas na biblioteca assíncrona de agentes

Artigo
02/25/2013

Este documento descreve como fazer uso eficiente de biblioteca de agentes assíncrono.A biblioteca de agentes promove uma programação ator- base no modelo e a mensagem em processo que passa para o fluxo de dados de alta granularidade e que canaliza tarefas.

Para obter mais informações sobre a biblioteca de agentes, consulte Biblioteca de agentes assíncrono.

Seções

Este documento contém as seções a seguir:

Use agentes para isolar o estado
Use um mecanismo de regulagem para limitar o número de mensagens em um canal de dados
Não faça o trabalho mais aguçado em um canal de dados
Não passar tanto grandes úteis de mensagens por valor
Use o shared_ptr em uma rede de dados quando a propriedade é indefinida

Use agentes para isolar o estado

A biblioteca de agentes forneça alternativas ao estado compartilhado deixando o conectar-se componentes isolados através de um mecanismo de passagem mensagem- assíncrono.Agentes assíncronos são os mais vigor quando isolam seu estado interno de outros componentes.Isolando o estado, vários componentes não atuam normalmente em dados compartilhados.Isolamento de estado pode ativar seu aplicativo para dimensionar porque reduz a conflito na memória compartilhado.Isolamento de estado também reduzem a possibilidade de bloqueio completa e as condições de corrida porque os componentes não precisam sincronizar acesso a dados compartilhados.

Normalmente você isolar o estado em um agente mantendo membros de dados nas seções de private ou de protected da classe do agente e usando buffers de mensagem para informar alterações de estado.O exemplo a seguir mostra a classe de basic_agent , que deriva de concurrency::agent.A classe de basic_agent usa dois buffers de mensagem para se comunicar com componentes externos.Um buffer de mensagem segura mensagens de entrada; o outro buffer de mensagem segura mensagens de saída.

// basic-agent.cpp
// compile with: /c /EHsc
#include <agents.h>

// An agent that uses message buffers to isolate state and communicate
// with other components.
class basic_agent : public concurrency::agent
{
public:
   basic_agent(concurrency::unbounded_buffer<int>& input)
      : _input(input)
   {
   }

   // Retrives the message buffer that holds output messages.
   concurrency::unbounded_buffer<int>& output()
   {
      return _output;
   }

protected:
   void run()
   {
      while (true)
      {
         // Read from the input message buffer.
         int value = concurrency::receive(_input);

         // TODO: Do something with the value.
         int result = value;

         // Write the result to the output message buffer.
         concurrency::send(_output, result);
      }
      done();
   }

private:
   // Holds incoming messages.
   concurrency::unbounded_buffer<int>& _input;
   // Holds outgoing messages.
   concurrency::unbounded_buffer<int> _output;
};

Para exemplos completos sobre como definir e usar agentes, consulte Passo a passo: Criando um aplicativo Baseado Agente- e Passo a passo: Criando um agente do fluxo de dados.

Superior[]

Use um mecanismo de regulagem para limitar o número de mensagens em um canal de dados

Muitos tipos de mensagem- buffer, como concurrency::unbounded_buffer, podem armazenar um número ilimitado de mensagens.Quando um produtor de mensagem envia mensagens para um pipeline de dados mais rápido do que o consumidor pode processar essas mensagens, o aplicativo pode entrar em um estado de memória baixa ou de para fora de memória.Você pode usar um mecanismo de estreitamento, por exemplo, um semáforo, para limitar o número de mensagens que são ativos simultaneamente em um canal de dados.

O seguinte exemplo básicas demonstra como usar um semáforo para limitar o número de mensagens em um canal de dados.O pipeline de dados usa a função de concurrency::wait para simular uma operação que tem pelo menos 100 milissegundos.Porque o remetente gera mensagens mais rápido do que o consumidor pode processar as mensagens, este exemplo define a classe de semaphore para ativar o aplicativo limitar o número de mensagens ativos.

// message-throttling.cpp
// compile with: /EHsc
#include <windows.h> // for GetTickCount()
#include <atomic>
#include <agents.h>
#include <concrt.h>
#include <concurrent_queue.h>
#include <sstream>
#include <iostream>

using namespace concurrency;
using namespace std;

// A semaphore type that uses cooperative blocking semantics.
class semaphore
{
public:
   explicit semaphore(long long capacity)
      : _semaphore_count(capacity)
   {
   }

   // Acquires access to the semaphore.
   void acquire()
   {
      // The capacity of the semaphore is exceeded when the semaphore count 
      // falls below zero. When this happens, add the current context to the 
      // back of the wait queue and block the current context.
      if (--_semaphore_count < 0)
      {
         _waiting_contexts.push(Context::CurrentContext());
         Context::Block();
      }
   }

   // Releases access to the semaphore.
   void release()
   {
      // If the semaphore count is negative, unblock the first waiting context.
      if (++_semaphore_count <= 0)
      {
         // A call to acquire might have decremented the counter, but has not
         // yet finished adding the context to the queue. 
         // Create a spin loop that waits for the context to become available.
         Context* waiting = NULL;
         while (!_waiting_contexts.try_pop(waiting))
         {
            Context::Yield();
         }

         // Unblock the context.
         waiting->Unblock();
      }
   }

private:
   // The semaphore count.
   atomic<long long> _semaphore_count;

   // A concurrency-safe queue of contexts that must wait to 
   // acquire the semaphore.
   concurrent_queue<Context*> _waiting_contexts;
};

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

    // Decrements the event counter.
    void signal() {
       if(--_current == 0LL) {
          _event.set();
       }
    }

    // Increments the event counter.
    void add_count() {
       if(++_current == 1LL) {
          _event.reset();
       }
    }

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

private:
   // The current count.
   atomic<long 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&);
};

int wmain()
{
   // The number of messages to send to the consumer.
   const long long MessageCount = 5;

   // The number of messages that can be active at the same time.
   const long long ActiveMessages = 2;

   // Used to compute the elapsed time.
   DWORD start_time;

   // Computes the elapsed time, rounded-down to the nearest
   // 100 milliseconds.
   auto elapsed = [&start_time] {
      return (GetTickCount() - start_time)/100*100;
   };

   // Limits the number of active messages.
   semaphore s(ActiveMessages);

   // Enables the consumer message buffer to coordinate completion
   // with the main application.
   countdown_event e(MessageCount);

   // Create a data pipeline that has three stages.

   // The first stage of the pipeline prints a message.
   transformer<int, int> print_message([&elapsed](int n) -> int {
      wstringstream ss;
      ss << elapsed() << L": received " << n << endl;
      wcout << ss.str();

      // Send the input to the next pipeline stage.
      return n;
   });

   // The second stage of the pipeline simulates a 
   // time-consuming operation.
   transformer<int, int> long_operation([](int n) -> int {
      wait(100);

      // Send the input to the next pipeline stage.
      return n;
   });

   // The third stage of the pipeline releases the semaphore
   // and signals to the main appliation that the message has
   // been processed.
   call<int> release_and_signal([&](int unused) {
      // Enable the sender to send the next message.
      s.release();

      // Signal that the message has been processed.
      e.signal();
   });

   // Connect the pipeline.
   print_message.link_target(&long_operation);
   long_operation.link_target(&release_and_signal);

   // Send several messages to the pipeline.
   start_time = GetTickCount();
   for(auto i = 0; i < MessageCount; ++i)
   {
      // Acquire access to the semaphore.
      s.acquire();

      // Print the message to the console.
      wstringstream ss;
      ss << elapsed() << L": sending " << i << L"..." << endl;
      wcout << ss.str();

      // Send the message.
      send(print_message, i);
   }

   // Wait for the consumer to process all messages.
   e.wait();
}
/* Sample output:
    0: sending 0...
    0: received 0
    0: sending 1...
    0: received 1
    100: sending 2...
    100: received 2
    200: sending 3...
    200: received 3
    300: sending 4...
    300: received 4
*/

O objeto de semaphore limita a pipeline para processar ao mesmo tempo no máximo duas mensagens.

O produtor neste exemplo envia relativamente poucas mensagens para o consumidor.Como consequência, este exemplo não demonstra uma memória baixa ou uma condição de memória suficientes em potencial.No entanto, esse mecanismo é útil quando um pipeline de dados contém um número de mensagens relativamente alto.

Para obter mais informações sobre como criar o semáforo classe que é usado neste exemplo, consulte Como: Use a classe de contexto para implementar um semáforo cooperativo.

Superior[]

Não faça o trabalho mais aguçado em um canal de dados

A biblioteca de agentes é útil quando o trabalho que é executado por um pipeline de dados é bastante de alta granularidade.Por exemplo, um componente do aplicativo pode ler dados de um arquivo ou uma conexão de rede e ocasionalmente um enviar os dados para outro componente.O protocolo que a biblioteca de agentes usa para se propagar causas de mensagens o mecanismo de passagem mensagem- ter mais sobrecarga do que as compilações de paralela a tarefa que são fornecidas por Paralela à biblioteca modelos PPL ().Como consequência, certifique-se de que o trabalho que é executado por um pipeline de dados é o suficiente para deslocar essa sobrecarga.

Embora um pipeline de dados é mais eficiente quando suas tarefas são de alta granularidade, cada estágio de pipeline de dados pode usar construções de PPL como grupos de trabalho e algoritmos paralelos para executar um trabalho mais mais aguçado.Para um exemplo de uma rede de dados de alta granularidade que usa o paralelismo mais aguçado em cada estágio de processamento, consulte Passo a passo: Criando uma rede Processamento de imagens.

Superior[]

Não passar tanto grandes úteis de mensagens por valor

Em alguns casos, o tempo de execução cria uma cópia de cada mensagem que passa de um buffer de mensagem para outro buffer de mensagem.Por exemplo, a classe de concurrency::overwrite_buffer oferece uma cópia de cada mensagem que receba a cada um dos seus alvos.O runtime também cria uma cópia dos dados de mensagem quando você usa mensagem- passar funções como concurrency::send e concurrency::receive para escrever mensagens a e ler mensagens de um buffer de mensagem.Embora esse mecanismo ajudasse para eliminar o risco de simultaneamente gravar dados compartilhados, pode levar a um desempenho ruim de memória quando a carga de mensagem é relativamente grande.

Você pode usar ponteiros ou referências para melhorar o desempenho de memória quando você passa as mensagens que têm uma grande carga.O exemplo a seguir compara passar grandes mensagens pelo valor para passar ponteiros para o mesmo tipo de mensagem.O exemplo a seguir define dois tipos, producer e consumerdo, que atuam em objetos de message_data .O exemplo compara o tempo necessário para que o produtor que vários objetos de message_data consumidor para o tempo necessário para que o agente de produtor que vários ponteiros para objetos de message_data para o consumidor.

// message-payloads.cpp
// compile with: /EHsc
#include <Windows.h>
#include <agents.h>
#include <iostream>

using namespace concurrency;
using namespace std;

// Calls the provided work function and returns the number of milliseconds 
// that it takes to call that function.
template <class Function>
__int64 time_call(Function&& f)
{
   __int64 begin = GetTickCount();
   f();
   return GetTickCount() - begin;
}

// A message structure that contains large payload data.
struct message_data
{
   int id;
   string source;
   unsigned char binary_data[32768];
};

// A basic agent that produces values.
template <typename T>
class producer : public agent
{
public:
   explicit producer(ITarget<T>& target, unsigned int message_count)
      : _target(target)
      , _message_count(message_count)
   {
   }
protected:
   void run();

private:
   // The target buffer to write to.
   ITarget<T>& _target;
   // The number of messages to send.
   unsigned int _message_count;
};

// Template specialization for message_data.
template <>
void producer<message_data>::run()
{
   // Send a number of messages to the target buffer.
   while (_message_count > 0)
   {
      message_data message;
      message.id = _message_count;
      message.source = "Application";

      send(_target, message);
      --_message_count;
   }

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

// Template specialization for message_data*.
template <>
void producer<message_data*>::run()
{
   // Send a number of messages to the target buffer.
   while (_message_count > 0)
   {
      message_data* message = new message_data;
      message->id = _message_count;
      message->source = "Application";

      send(_target, message);
      --_message_count;
   }

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

// A basic agent that consumes values.
template <typename T>
class consumer : public agent
{
public:
   explicit consumer(ISource<T>& source, unsigned int message_count)
      : _source(source)
      , _message_count(message_count)
   {
   }

protected:
   void run();

private:
   // The source buffer to read from.
   ISource<T>& _source;
   // The number of messages to receive.
   unsigned int _message_count;
};

// Template specialization for message_data.
template <>
void consumer<message_data>::run()
{
   // Receive a number of messages from the source buffer.
   while (_message_count > 0)
   {
      message_data message = receive(_source);
      --_message_count;

      // TODO: Do something with the message. 
      // ...
   }

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

template <>
void consumer<message_data*>::run()
{
   // Receive a number of messages from the source buffer.
   while (_message_count > 0)
   {
      message_data* message = receive(_source);
      --_message_count;

      // TODO: Do something with the message.
      // ...

      // Release the memory for the message.
      delete message;     
   }

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

int wmain()
{
   // The number of values for the producer agent to send.
   const unsigned int count = 10000;

   __int64 elapsed;

   // Run the producer and consumer agents.
   // This version uses message_data as the message payload type.

   wcout << L"Using message_data..." << endl;
   elapsed = time_call([count] {
      // A message buffer that is shared by the agents.
      unbounded_buffer<message_data> buffer;

      // Create and start the producer and consumer agents.
      producer<message_data> prod(buffer, count);
      consumer<message_data> cons(buffer, count);
      prod.start();
      cons.start();

      // Wait for the agents to finish.
      agent::wait(&prod);
      agent::wait(&cons);
   });
   wcout << L"took " << elapsed << L"ms." << endl;

   // Run the producer and consumer agents a second time.
   // This version uses message_data* as the message payload type.

   wcout << L"Using message_data*..." << endl;
   elapsed = time_call([count] {
      // A message buffer that is shared by the agents.
      unbounded_buffer<message_data*> buffer;

      // Create and start the producer and consumer agents.
      producer<message_data*> prod(buffer, count);
      consumer<message_data*> cons(buffer, count);
      prod.start();
      cons.start();

      // Wait for the agents to finish.
      agent::wait(&prod);
      agent::wait(&cons);
   });
   wcout << L"took " << elapsed << L"ms." << endl;
}

Este exemplo produz a seguinte saída de exemplo:

A versão que usa ponteiros executa melhor porque elimina a necessidade para que o tempo de execução criar uma cópia total de cada objeto de message_data que passa de produtor para o consumidor.

Superior[]

Use o shared_ptr em uma rede de dados quando a propriedade é indefinida

Quando você envia mensagens pelo ponteiro através de um pipeline ou de uma rede mensagem- passando, você normalmente aloca memória para cada mensagem na frente de rede e libera a memória no final da rede.Embora esse mecanismo funciona bem frequentemente, há casos em que é difícil ou não possível usar o.Por exemplo, considere o caso em que a rede de dados contém vários nós de extremidade.Nesse caso, não haverá lugar certo para liberar memória para mensagens.

Para resolver esse problema, você pode usar um mecanismo, por exemplo, std::shared_ptr, que permite que um ponteiro para ser possuído por vários componentes.Quando o objeto final de shared_ptr que possui um recurso é destruído, o recurso é liberado também.

O exemplo seguinte demonstra como usar shared_ptr para compartilhar valores de ponteiro entre vários buffers de mensagem.O exemplo conecta um objeto de concurrency::overwrite_buffer a três objetos de concurrency::call .A classe oferece overwrite_buffer de mensagens para cada um dos seus alvos.Porque há vários proprietários de dados no final da rede de dados, usa shared_ptr este exemplo ativar cada objeto de call à propriedade de compartilhamento de mensagens.

// message-sharing.cpp
// compile with: /EHsc
#include <agents.h>
#include <iostream>
#include <sstream>

using namespace concurrency;
using namespace std;

// A type that holds a resource.
class resource
{
public:
   resource(int id) : _id(id)
   { 
      wcout << L"Creating resource " << _id << L"..." << endl;
   }
   ~resource()
   { 
      wcout << L"Destroying resource " << _id << L"..." << endl;
   }

   // Retrieves the identifier for the resource.
   int id() const { return _id; }

   // TODO: Add additional members here.
private:
   // An identifier for the resource.
   int _id;

   // TODO: Add additional members here.
};

int wmain()
{   
   // A message buffer that sends messages to each of its targets.
   overwrite_buffer<shared_ptr<resource>> input;

   // Create three call objects that each receive resource objects
   // from the input message buffer.

   call<shared_ptr<resource>> receiver1(
      [](shared_ptr<resource> res) {
         wstringstream ss;
         ss << L"receiver1: received resource " << res->id() << endl;
         wcout << ss.str();
      },
      [](shared_ptr<resource> res) { 
         return res != nullptr; 
      }
   );

   call<shared_ptr<resource>> receiver2(
      [](shared_ptr<resource> res) {
         wstringstream ss;
         ss << L"receiver2: received resource " << res->id() << endl;
         wcout << ss.str();
      },
      [](shared_ptr<resource> res) { 
         return res != nullptr; 
      }
   );

   event e;
   call<shared_ptr<resource>> receiver3(
      [&e](shared_ptr<resource> res) {
         e.set();
      },
      [](shared_ptr<resource> res) { 
         return res == nullptr; 
      }
   );

   // Connect the call objects to the input message buffer.
   input.link_target(&receiver1);
   input.link_target(&receiver2);
   input.link_target(&receiver3);

   // Send a few messages through the network.
   send(input, make_shared<resource>(42));
   send(input, make_shared<resource>(64));
   send(input, shared_ptr<resource>(nullptr));

   // Wait for the receiver that accepts the nullptr value to 
   // receive its message.
   e.wait();
}

Este exemplo produz a seguinte saída de exemplo: