TPL Dataflow + problem filozofów

Home

Jakiś czas temu na blogu Piotrka Zielińskiego przeczytałem o TPL Dataflow Library czyli o bibliotece dostarczającej komponentów ułatwiających komunikację (przekazywanie danych) w środowisku wielowątkowym. Temat mnie zaciekawił i postanowiłem trochę pobawić się z tą technologią. Na tapecie nie miałem żadnego "prawdziwego" projektu, w którym dałoby się wykorzystać nową zabawkę, postanowiłem więc wykonać ćwiczenie umysłowe i rozwiązać klasyczny problem pięciu filozofów z użyciem TPL Dataflow.

W moim rozwiązaniu każda pojedyncza pałeczka do jedzenia ryżu reprezentowana jest przez instancję klasy BufferBlock<T&gt gdzie T to w tym przypadku klasa Chopstick (klasa wydmuszka, nie zawiera żadnych właściwości ani metod). BufferedBlock<T>to nic innego jak kolejka FIFO, która może mieć wielu czytelników i wielu zapisujących.

Filozof potrzebuje jednak dwóch pałeczek aby rozpocząć jedzenie. Aby spełnić to wymaganie używam klasy JoinBlock<T,Z> gdzie T i Z do znowu klasa Chopstick. JoinBlock działa w ten sposób, ze monitoruje dwa źródła danych i jeśli w obu źródłach równocześnie są dane to grupuje je i wysyła do słuchacza. W tym przypadku JoinBlock czeka na dwie wolne pałeczki.

var chopsticks = new JoinBlock<Chopstick, Chopstick>(new GroupingDataflowBlockOptions { MaxNumberOfGroups = 1 });

_left.LinkTo(chopsticks.Target1);
_right.LinkTo(chopsticks.Target2);

_chopsticks = chopsticks.Receive();

Ustawienie właściwości MaxNumberOfGroups jest konieczne, aby blok odczytał tylko dwa komunikaty. Odłożenie pałeczek na stół jest natomiast równoważne z wysłaniem komunikatu (pałeczki) z powrotem do bufora tak, aby oczekujący na nie filozofowie mogli rozpocząć jedzenie.

_left.SendAsync(_chopsticks.Item1);
_right.SendAsync(_chopsticks.Item2);

Do tego, aby filozofowie mogli informować świat zewnętrzny o tym, co robią, również użyłem klasy BufferBlock<T>. Za każdym razem kiedy jeden z filozofów kończy/rozpoczyna jedzenie wysyła komunikat ze swoim aktualnym stanem. Ja napisałem prostą aplikację w WinForms, która nasłuchuje na te komunikaty i odpowiednio uaktualnia UI.

private readonly BufferBlock<PhilosopherState> _philosophersState = new BufferBlock<PhilosopherState>();
...
_philosophersState.LinkTo(new ActionBlock<PhilosopherState>(state => UpdateState(state)), new DataflowLinkOptions());

Każdy filozof modelowany jest przez instancję klasy Philosopher i działa w swoim własnym wątku. Co jakiś losowy czas decyduje, co robić dalej tj.: kontynuować myślenie/jedzenie czy rozpocząć myślenie/jedzenie. Kiedy zbierzemy to wszystko do kupy, otrzymamy następujący kod.

Pokaż/Ukryj kod klasy Philosopher

namespace PhilosopherProblemWithDataFlows
{
    public class Philosopher
    {
        private const int SleepTime = 100;

        private readonly int _index;
        private readonly BufferBlock<Chopstick> _left;
        private readonly BufferBlock<Chopstick> _right;
        private readonly BufferBlock<PhilosopherState> _philosophersState;

        private bool _goHome;
        private Tuple<Chopstick, Chopstick> _chopsticks;

        public Philosopher(int index, BufferBlock<Chopstick> left, BufferBlock<Chopstick> right, BufferBlock<PhilosopherState> philosophersState)
        {
            _index = index;
            _left = left;
            _right = right;
            _philosophersState = philosophersState;
        }

        public void TakeASeat()
        {
            var rand = new Random((int)DateTime.Now.Ticks);

            while (true)
            {
                if (_goHome)
                {
                    PutChopsticks();                
                    return;
                }

                if (rand.Next() % 2 == 0)
                    Eat();
                else
                    Think();

                Thread.Sleep((rand.Next(10) + 1) * SleepTime);
            }
        }

        public void GoHome()
        {
            _goHome = true;
        }

        private void Eat()
        {
            if (_chopsticks == null)
            {
                var chopsticks =
                    new JoinBlock<Chopstick, Chopstick >(new GroupingDataflowBlockOptions { MaxNumberOfGroups  = 1 });

                _left.LinkTo(chopsticks.Target1);
                _right.LinkTo(chopsticks.Target2);

                _chopsticks = chopsticks.Receive();
                chopsticks.Complete();
            }

            _philosophersState.SendAsync(new PhilosopherState { Index = _index,  IsEating = true });
        }

        private void Think()
        {
            PutChopsticks();

            _philosophersState.SendAsync(new PhilosopherState { Index = _index,  IsEating = false});
        }

        private void PutChopsticks()
        {
            if (_chopsticks != null)
            {
                _left.SendAsync(_chopsticks.Item1);
                _right.SendAsync(_chopsticks.Item2);
                _chopsticks = null;
            }
        }
    }

    public class Chopstick
    {
    }

    public class PhilosopherState
    {
        public int Index { get; set; }
        public bool IsEating { get; set; }
    }
}

Pokaż/Ukryj kod okna Win Forms

namespace PhilosopherProblemWithDataFlows
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        private readonly Color EatingColor = Color.Red;
        private readonly Color ThinkingColor = Color.Green;

        private readonly List<Label> _stateLabels = new List<Label>();
        private readonly List<Philosopher> _philosophers = new List<Philosopher>();
        private readonly BufferBlock<PhilosopherState> _philosophersState = new BufferBlock<PhilosopherState>();

        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
            Closing += (sender, args) =>
                {
                    _philosophersState.Complete();
                    _philosophers.ForEach(p => p.GoHome());
                };

            _stateLabels.Add(philosopher1);
            _stateLabels.Add(philosopher2);
            _stateLabels.Add(philosopher3);
            _stateLabels.Add(philosopher4);
            _stateLabels.Add(philosopher5);
            _stateLabels.ForEach(l => l.BackColor = ThinkingColor);
            
            Start();
        }

        private void Start()
        {
            _philosophersState.LinkTo(new ActionBlock<PhilosopherState>(state => UpdateState(state)), new DataflowLinkOptions());

            var chopsticks = new[]
                {
                    new BufferBlock<Chopstick>(),
                    new BufferBlock<Chopstick>(),
                    new BufferBlock<Chopstick>(),
                    new BufferBlock<Chopstick>(),
                    new BufferBlock<Chopstick>()
                };

            foreach (var ch in chopsticks)
                ch.Post(new Chopstick());

            for (var i = 0; i < 5; ++i)
                _philosophers.Add(new Philosopher(
                            i,
                            chopsticks[i],
                            chopsticks[(i + 1) % 5],
                            philosophersState));

            for (var i = 0; i < 5; ++i)
            {
                var th = new Thread(_philosophers[i].TakeASeat);
                th.Start();
            }
        }

        private void UpdateState(PhilosopherState state)
        {
            var label = _stateLabels[state.Index];
            label.Invoke((MethodInvoker)delegate { label.BackColor = state.IsEating ? EatingColor : ThinkingColor; });
        }
    }
}

Kod designer'a pominąłem bo jest trywialny i zawiera tylko 5 etykiet o nazwach philosopher1, philosopher2 itd.

Na koniec mała zagadka. Moja implementacja zawiera pewne uproszczenie oryginalnego problemu 5 ucztujących filozofów. Jakie?