Partilhar via

Práticas recomendadas para a biblioteca de agentes assíncronos

  • Artigo

Este documento descreve como fazer uso eficaz da biblioteca de agentes assíncronos. A biblioteca de agentes promove um modelo de programação baseada em ator e uma mensagem de no processo, passando para o fluxo de dados refinado e a canalização de tarefas.

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

Seções

Este documento contém as seções a seguir:

  • Usar os agentes para isolar estado

  • Use um mecanismo de otimização para limitar o número de mensagens em um Pipeline de dados

  • Não execute o trabalho minucioso em um Pipeline de dados

  • Não passe grandes cargas de mensagem por valor

  • Use shared_ptr um dados rede quando propriedade é indefinido

Usar os agentes para isolar estado

A biblioteca de agentes fornece alternativas para o estado compartilhado, permitindo que você conecte componentes isolados através de um mecanismo de passagem de mensagens assíncrono. Agentes assíncronos são mais eficazes quando eles isolar o seu estado interno de outros componentes. Isolando o estado, vários componentes normalmente atuam em dados compartilhados. Isolamento de estado pode habilitar seu aplicativo dimensionar, pois ele reduz a contenção de memória compartilhada. Isolamento de estado também reduz a chance de deadlock, condições de corrida porque não tem componentes sincronizar o acesso aos dados compartilhados.

Você normalmente isolar o estado de um agente mantendo os membros de dados na private ou protected seções da classe de agente e usando os buffers de mensagem para comunicar alterações de estado. A exemplo a seguir mostra a basic_agent classe, que é derivada de Concurrency::agent. O basic_agent classe usa dois buffers de mensagem para se comunicar com componentes externos. Um buffer de mensagem contém mensagens de entrada; buffer de mensagem contém 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 obter exemplos completos sobre como definir e usar os agentes, consulte Demonstra Passo a passo: Criando um aplicativo baseado em agente e Demonstra Passo a passo: Criando um agente de fluxo de dados.

go to top

Use um mecanismo de otimização para limitar o número de mensagens em um Pipeline de dados

Muitos tipos de buffer de mensagem, como Concurrency::unbounded_buffer, pode conter um número ilimitado de mensagens. Quando um produtor de mensagem envia mensagens a um pipeline de dados mais rápido do que o consumidor pode processar essas mensagens, o aplicativo pode entrar em um estado de pouca memória ou insuficiência de memória. Você pode usar um mecanismo de otimização, por exemplo, um semáforo para limitar o número de mensagens que estão ativas simultaneamente em um pipeline de dados.

O seguinte exemplo básico demonstra como usar um semáforo para limitar o número de mensagens em um pipeline de dados. Os dados do pipeline usa a Concurrency::wait a função para simular uma operação que leva menos de 100 milissegundos. Como o remetente produz mensagens mais rapidamente do que o consumidor pode processar essas mensagens, este exemplo define o semaphore classe para habilitar o aplicativo limitar o número de mensagens de ativo.

// message-throttling.cpp
// compile with: /EHsc
#include <Windows.h>
#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 capacity);

   // Acquires access to the semaphore.
   void acquire();

   // Releases access to the semaphore.
   void release();

private:
   // The semaphore count.
   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(unsigned int count = 0L);

   // Decrements the event counter.
   void signal();

   // Increments the event counter.
   void add_count();

   // Blocks the current context until the event is set.
   void 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&);
};


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

   // The number of messages that can be active at the same time.
   const 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(int 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();   
}

//
// semaphore class implementation.
//

semaphore::semaphore(LONG capacity)
   : _semaphore_count(capacity)
{
}

// Acquires access to the semaphore.
void semaphore::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 (InterlockedDecrement(&_semaphore_count) < 0)
   {
      _waiting_contexts.push(Context::CurrentContext());
      Context::Block();
   }
}

// Releases access to the semaphore.
void semaphore::release()
{
   // If the semaphore count is negative, unblock the first waiting context.
   if (InterlockedIncrement(&_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;
      if (!_waiting_contexts.try_pop(waiting))
      {
         Context::Yield();
      }

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

//
// countdown_event class implementation.
//

countdown_event::countdown_event(unsigned int count)
   : _current(static_cast<long>(count)) 
{
   // Set the event if the initial count is zero.
   if (_current == 0L)
      _event.set();
}

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

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

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

Este exemplo produz a saída de exemplo a seguir:

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 semaphore objeto limita o pipeline de processamento de no máximo duas mensagens ao mesmo tempo.

O produtor neste exemplo envia mensagens relativamente poucas ao consumidor. Portanto, este exemplo não demonstre uma possível condição de pouca memória ou insuficiência de memória. No entanto, esse mecanismo é útil quando um pipeline de dados contém um número relativamente alto de mensagens.

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

go to top

Não execute o trabalho minucioso em um Pipeline de dados

A biblioteca de agentes é mais útil quando o trabalho realizado por um pipeline de dados é bastante refinado. Por exemplo, um componente do aplicativo pode ler dados de um arquivo ou uma conexão de rede e ocasionalmente enviar esses dados para outro componente. O protocolo que a biblioteca de agentes usa para propagar as mensagens faz com que o mecanismo de passagem de mensagem ter mais sobrecarga do que as construções de paralela de tarefas são fornecidos pelo Biblioteca paralela de padrões (PPL). Portanto, certifique-se de que o trabalho realizado por um pipeline de dados é grande o suficiente para compensar essa sobrecarga.

Embora um pipeline de dados é mais eficaz quando suas tarefas são refinadas, cada estágio do pipeline de dados pode usar construções PPL como, por exemplo, grupos de tarefas e algoritmos paralelos para realizar mais refinado trabalho. Para obter um exemplo de uma rede de dados refinados que usa o paralelismo refinado em cada estágio de processamento, consulte Demonstra Passo a passo: A criação de uma rede de processamento de imagens.

go to top

Não passe grandes cargas de mensagem por valor

Em alguns casos, o runtime cria uma cópia de cada mensagem que ele passa de um buffer de mensagem para outro buffer de mensagem. Por exemplo, o Concurrency::overwrite_buffer classe oferece uma cópia de cada mensagem que ele recebe a cada um de seus destinos. O runtime também cria uma cópia dos dados da mensagem ao usar funções de transmissão de mensagens, como Concurrency::send e Concurrency::receive para escrever mensagens e ler mensagens de um buffer de mensagem. Embora este mecanismo ajuda a eliminar o risco de gravar simultaneamente dados compartilhados, poderia levar a desempenho ruim de memória quando a carga da mensagem é relativamente grande.

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

Using message_data...
took 437ms.
Using message_data*...
took 47ms.

A versão que usa ponteiros realiza, melhor, pois elimina a necessidade de tempo de execução criar uma cópia completa de todas as message_data o objeto que ele passa do produtor para o consumidor.

go to top

Use shared_ptr um dados rede quando propriedade é indefinido

Quando você enviar mensagens pelo ponteiro através de um pipeline de transmissão de mensagens ou rede, você normalmente alocar a memória para cada mensagem na frente da rede e liberar memória no final da rede. Embora esse mecanismo freqüentemente funciona bem, há casos em que é difícil ou não é possível usá-lo. Por exemplo, considere o caso em que a rede de dados contém vários nós de extremidade. Nesse caso, não há nenhum local de limpar para liberar a memória para as mensagens.

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

O exemplo a seguir demonstra como usar shared_ptr para compartilhar valores de ponteiro entre vários buffers de mensagem. O exemplo conecta um Concurrency::overwrite_buffer o objeto para três Concurrency::call objetos. O overwrite_buffer classe oferece mensagens para cada um dos destinos. Como há vários proprietários dos dados no final da rede de dados, este exemplo usa shared_ptr para habilitar cada call o objeto para compartilhar a propriedade 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 saída de exemplo a seguir:

Creating resource 42...
receiver1: received resource 42
Creating resource 64...
receiver2: received resource 42
receiver1: received resource 64
Destroying resource 42...
receiver2: received resource 64
Destroying resource 64...

Consulte também

Tarefas

Demonstra Passo a passo: Criando um aplicativo baseado em agente

Conceitos

As práticas recomendadas de Runtime de simultaneidade

Biblioteca de agentes assíncronos

Outros recursos

Demonstra Passo a passo: Criando um agente de fluxo de dados

Demonstra Passo a passo: A criação de uma rede de processamento de imagens

Práticas recomendadas para a biblioteca de padrões paralelos

Práticas recomendadas de gerais no Runtime de simultaneidade