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F#中的異步及并行模式：代理的高級(jí)使用

本文我們會(huì)來探索F#函數(shù)式編程語言的異步及并行模式、交互式的代理，以及與代理有關(guān)的一些模式，包括隔離的內(nèi)部狀態(tài)。

創(chuàng)新互聯(lián)公司長期為上1000+客戶提供的網(wǎng)站建設(shè)服務(wù)，團(tuán)隊(duì)從業(yè)經(jīng)驗(yàn)10年，關(guān)注不同地域、不同群體，并針對(duì)不同對(duì)象提供差異化的產(chǎn)品和服務(wù)；打造開放共贏平臺(tái)，與合作伙伴共同營造健康的互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境。為沙灣企業(yè)提供專業(yè)的成都做網(wǎng)站、網(wǎng)站建設(shè)、外貿(mào)營銷網(wǎng)站建設(shè)，沙灣網(wǎng)站改版等技術(shù)服務(wù)。擁有10多年豐富建站經(jīng)驗(yàn)和眾多成功案例,為您定制開發(fā)。

消息與聯(lián)合類型

很多時(shí)候我們會(huì)使用聯(lián)合類型（Union Type）作為消息的類型。例如，我將要展示一個(gè)基于代理的DirectX示例，我們要在模擬引擎中使用如下的消息：

 
 
 
    
  
  
  
  1. type Message = 
    2. 
  
  
  
  2.     | PleaseTakeOneStep 
    3. 
  
  
  
  3.     | PleaseAddOneBall of Ball 模擬引擎中的代理： 
    4. 
  
  
  
  4. 
  
  
  
  5. let simulationEngine = 
    6. 
  
  
  
  6.     Agent.Start(fun inbox ->
    7. 
  
  
  
  7.         async { while true do 
    8. 
  
  
  
  8.                     // Wait for a message 
    9. 
  
  
  
  9.                     let! msg = inbox.Receive() 
    10. 
  
  
  
  10. 
  
  
  
  11.                     // Process a message 
    12. 
  
  
  
  12.                     match msg with 
    13. 
  
  
  
  13.                     | PleaseTakeOneStep -> state.Transform moveBalls 
    14. 
  
  
  
  14.                     | PleaseAddOneBall ball -> state.AddObject ball  })
    15.

在很多情況下使用強(qiáng)類型消息是個(gè)不錯(cuò)的做法。不過，在某些您需要和其他消息機(jī)制協(xié)作的時(shí)候，也無需擔(dān)心使用如“obj”和“string”等泛化的消息類型，此時(shí)代理只需要在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行類型判斷或轉(zhuǎn)化即可。

參數(shù)化代理及抽象代理

代理只是F#編碼中的一種設(shè)計(jì)模式。這意味著您可以將F#中各種常用的技巧，如參數(shù)化，抽象或是代碼片段重用與代理一起使用。例如，您可以把之前的serveQuoteStream函數(shù)參數(shù)化，指定每條股票消息傳輸中的間隔時(shí)間：

 
 
 
    
  
  
  
  1. open System.Net.Sockets 
    2. 
  
  
  
  2. 
  
  
  
  3. /// serve up a stream of quotes 
    4. 
  
  
  
  4. let serveQuoteStream (client: TcpClient, periodMilliseconds: int) = async { 
    5. 
  
  
  
  5.     let stream = client.GetStream() 
    6. 
  
  
  
  6.     while true do 
    7. 
  
  
  
  7.         do! stream.AsyncWrite( "AAPL 439.2"B ) 
    8. 
  
  
  
  8.         do! Async.Sleep periodMilliseconds 
    9. 
  
  
  
  9. } 
    10. 
  
  
  
  10. 
  
  
  
  11. 這意味著您的股票服務(wù)器中不同的請(qǐng)求可以擁有不同長度的間隔。與此類似，您可以使用函數(shù)參數(shù)，將整個(gè)代理類的功能進(jìn)行抽象： 
    12. 
  
  
  
  12. 
  
  
  
  13. let iteratingAgent job = 
    14. 
  
  
  
  14.    Agent.Start(fun inbox ->
    15. 
  
  
  
  15.      async { while true do 
    16. 
  
  
  
  16.                let! msg = inbox.Receive() 
    17. 
  
  
  
  17.                do! job msg }) 
    18. 
  
  
  
  18. 
  
  
  
  19. let foldingAgent job initialState = 
    20. 
  
  
  
  20.    Agent.Start(fun inbox ->
    21. 
  
  
  
  21.      let rec loop state = async { 
    22. 
  
  
  
  22.          let! msg = inbox.Receive() 
    23. 
  
  
  
  23.          let! state = job state msg 
    24. 
  
  
  
  24.          return! loop state 
    25. 
  
  
  
  25.        } 
    26. 
  
  
  
  26.      loop initialState)您可以這樣使用***個(gè)函數(shù)： 
    27. 
  
  
  
  27. 
  
  
  
  28. let agent1 = iteratingAgent (fun msg -> async { do printfn "got message '%s'"  msg }) 及第二個(gè)： 
    29. 
  
  
  
  29. 
  
  
  
  30. let agent2 = 
    31. 
  
  
  
  31.     foldingAgent (fun state msg ->
    32. 
  
  
  
  32.         async { if state % 1000 = 0 then printfn "count = '%d'" msg; 
    33. 
  
  
  
  33.                 return state + 1 }) 0 從代理返回結(jié)果
    34.

在以后的文章中，我們會(huì)討論一些訪問執(zhí)行中的代理的部分結(jié)果的技巧，例如，我們可以使用每個(gè)MailboxProcessor代理的PostAndAsyncReply方法。這樣的技巧在創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)通信代理時(shí)顯得尤其重要。

然而，這種做法很多時(shí)候有些過了，我們可能只是需要將結(jié)果匯報(bào)給一些如GUI般的監(jiān)視環(huán)境。匯報(bào)部分結(jié)果的簡單方法之一，便是之前在第二篇文章中討論過的設(shè)計(jì)模式。下面便是這樣一個(gè)例子，它創(chuàng)建了一個(gè)代理，對(duì)每1000條消息進(jìn)行采樣，并將得到的事件分發(fā)給GUI或其他管理線程（請(qǐng)注意，其中用到了第二篇文章中SynchronizationContext的兩個(gè)擴(kuò)展方法CaptureCurrent和RaiseEvent）。

 
 
 
    
  
  
  
  1. // Receive messages and raise an event on each 1000th message  
    2. 
  
  
  
  2. type SamplingAgent() =  
    3. 
  
  
  
  3.     // The event that is raised  
    4. 
  
  
  
  4.     // Capture the synchronization context to allow us to raise events  
    5. 
  
  
  
  5.     // back on the GUI thread  
    6. 
  
  
  
  6.     let syncContext = SynchronizationContext.CaptureCurrent() 
    7. 
  
  
  
  7. 
  
  
  
  8.     // The internal mailbox processor agent  
    9. 
  
  
  
  9.     let agent =  
    10. 
  
  
  
  10.         new MailboxProcessor<_>(fun inbox ->  
    11. 
  
  
  
  11.             async { let count = ref 0  
    12. 
  
  
  
  12.                     while true do  
    13. 
  
  
  
  13.                         let! msg = inbox.Receive()  
    14. 
  
  
  
  14.                         incr count  
    15. 
  
  
  
  15.                         if !count % 1000 = 0 then  
    16. 
  
  
  
  16.                             syncContext.RaiseEvent sample msg }) 
    17. 
  
  
  
  17. 
  
  
  
  18.     /// Post a message to the agent  
    19. 
  
  
  
  19.     member x.Post msg = agent.Post msg 
    20. 
  
  
  
  20. 
  
  
  
  21.     /// Start the agent  
    22. 
  
  
  
  22.     member x.Start () = agent.Start() 
    23. 
  
  
  
  23. 
  
  
  
  24.     /// Raised every 1000'th message  
    25. 
  
  
  
  25.     member x.Sample = sample.Publish您可以這樣使用代理： 
    26. 
  
  
  
  26. 
  
  
  
  27. let agent = SamplingAgent() 
    28. 
  
  
  
  28. 
  
  
  
  29. agent.Sample.Add (fun s -> printfn "sample: %s" s)  
    30. 
  
  
  
  30. agent.Start() 
    31. 
  
  
  
  31. 
  
  
  
  32. for i = 0 to 10000 do  
    33. 
  
  
  
  33.    agent.Post (sprintf "message %d" i) 與預(yù)料一致，這會(huì)報(bào)告agent的消息采樣： 
    34. 
  
  
  
  34. 
  
  
  
  35. sample: message 999  
    36. 
  
  
  
  36. sample: message 1999  
    37. 
  
  
  
  37. sample: message 2999  
    38. 
  
  
  
  38. sample: message 3999  
    39. 
  
  
  
  39. sample: message 4999  
    40. 
  
  
  
  40. sample: message 5999  
    41. 
  
  
  
  41. sample: message 6999  
    42. 
  
  
  
  42. sample: message 7999  
    43. 
  
  
  
  43. sample: message 8999  
    44. 
  
  
  
  44. sample: message 9999
    45.

#p#
代理及錯(cuò)誤

我們都無法避免錯(cuò)誤和異常。良好的錯(cuò)誤檢測(cè)，報(bào)告及記錄的措施是基于代理編程的基本要素。我們來看一下如何在F#的內(nèi)存代理（MailboxProcessor）中檢測(cè)和轉(zhuǎn)發(fā)錯(cuò)誤。

首先，F(xiàn)#異步代理的神奇之處在于異?？梢杂蒩sync { ... }自動(dòng)捕獲及分發(fā)，即使跨過多個(gè)異步等待及I/O操作。您也可以在async { ... }中使用try/with，try/finally及use關(guān)鍵字來捕獲異常或釋放資源。這意味著我們只需要在代理中處理那些未捕獲的錯(cuò)誤即可。當(dāng)MailboxProcessor代理中出現(xiàn)未捕獲的異常時(shí)便會(huì)觸發(fā)Error事件。一個(gè)常見的模式是將所有的錯(cuò)誤轉(zhuǎn)發(fā)給一個(gè)監(jiān)視進(jìn)程，例如：

 
 
 
    
  
  
  
  1. type Agent<'T> = MailboxProcessor<'T>
    2. 
  
  
  
  2. 
  
  
  
  3. let supervisor =  
    4. 
  
  
  
  4.    Agent.Start(fun inbox ->  
    5. 
  
  
  
  5.      async { while true do  
    6. 
  
  
  
  6.                let! err = inbox.Receive()  
    7. 
  
  
  
  7.                printfn "an error occurred in an agent: %A" err }) 
    8. 
  
  
  
  8. 
  
  
  
  9. let agent =  
    10. 
  
  
  
  10.    new Agent(fun inbox ->  
    11. 
  
  
  
  11.      async { while true do  
    12. 
  
  
  
  12.                let! msg = inbox.Receive()  
    13. 
  
  
  
  13.                if msg % 1000 = 0 then  
    14. 
  
  
  
  14.                    failwith "I don't like that cookie!" }) 
    15. 
  
  
  
  15. 
  
  
  
  16. agent.Error.Add(fun error -> supervisor.Post error)  
    17. 
  
  
  
  17. agent.Start() 我們也可以很方便地并行這些配置操作： 
    18. 
  
  
  
  18. 
  
  
  
  19. let agent =  
    20. 
  
  
  
  20.    new Agent(fun inbox ->  
    21. 
  
  
  
  21.      async { while true do  
    22. 
  
  
  
  22.                let! msg = inbox.Receive()  
    23. 
  
  
  
  23.                if msg % 1000 = 0 then  
    24. 
  
  
  
  24.                    failwith "I don't like that cookie!" })  
    25. 
  
  
  
  25.    |> Agent.reportErrorsTo supervisor  
    26. 
  
  
  
  26.    |> Agent.start 或使用輔助模塊： 
    27. 
  
  
  
  27. 
  
  
  
  28. module Agent =  
    29. 
  
  
  
  29.    let reportErrorsTo (supervisor: Agent) (agent: Agent<_>) =  
    30. 
  
  
  
  30.        agent.Error.Add(fun error -> supervisor.Post error); agent 
    31. 
  
  
  
  31. 
  
  
  
  32.    let start (agent: Agent<_>) = agent.Start(); agent 
    33.

下面是一個(gè)例子，我們創(chuàng)建了10000個(gè)代理，其中某些會(huì)報(bào)告錯(cuò)誤：

 
 
 
    
  
  
  
  1. let supervisor =  
    2. 
  
  
  
  2.    Agent.Start(fun inbox ->  
    3. 
  
  
  
  3.      async { while true do  
    4. 
  
  
  
  4.                let! (agentId, err) = inbox.Receive()  
    5. 
  
  
  
  5.                printfn "an error '%s' occurred in agent %d" err.Message agentId }) 
    6. 
  
  
  
  6. 
  
  
  
  7. let agents =  
    8. 
  
  
  
  8.    [ for agentId in 0 .. 10000 ->  
    9. 
  
  
  
  9.         let agent =  
    10. 
  
  
  
  10.             new Agent(fun inbox ->  
    11. 
  
  
  
  11.                async { while true do  
    12. 
  
  
  
  12.                          let! msg = inbox.Receive()  
    13. 
  
  
  
  13.                          if msg.Contains("agent 99") then  
    14. 
  
  
  
  14.                              failwith "I don't like that cookie!" })  
    15. 
  
  
  
  15.         agent.Error.Add(fun error -> supervisor.Post (agentId,error))  
    16. 
  
  
  
  16.         agent.Start()  
    17. 
  
  
  
  17.         (agentId, agent) ]我們發(fā)送消息： 
    18. 
  
  
  
  18. 
  
  
  
  19. for (agentId, agent) in agents do  
    20. 
  
  
  
  20.    agent.Post (sprintf "message to agent %d" agentId ) 便可看到： 
    21. 
  
  
  
  21. 
  
  
  
  22. an error 'I don't like that cookie!' occurred in agent 99  
    23. 
  
  
  
  23. an error 'I don't like that cookie!' occurred in agent 991  
    24. 
  
  
  
  24. an error 'I don't like that cookie!' occurred in agent 992  
    25. 
  
  
  
  25. an error 'I don't like that cookie!' occurred in agent 993  
    26. 
  
  
  
  26. ... 
    27. 
  
  
  
  27. 
  
  
  
  28. an error 'I don't like that cookie!' occurred in agent 999
    29.

這一節(jié)我們處理了F#內(nèi)存中的MailboxProcessor代理發(fā)生的錯(cuò)誤。其他一些代理（例如，表示服務(wù)器端請(qǐng)求的代理）也可以這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)與架構(gòu)，以便進(jìn)行優(yōu)雅的錯(cuò)誤轉(zhuǎn)發(fā)及重試。

總結(jié)

隔離的代理是一種常用的編程模式，它不斷運(yùn)用在各種編程領(lǐng)域中，從設(shè)備驅(qū)動(dòng)編程到用戶界面，還包括分布式編程及高度伸縮的通信服務(wù)器。每次您編寫了一個(gè)對(duì)象，線程或是異步工作程序，用于處理一個(gè)長時(shí)間的通信（如向聲卡發(fā)送數(shù)據(jù)，從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)，或是響應(yīng)一個(gè)輸入的事件流），您其實(shí)就是在編寫一種代理。每次您在寫一個(gè)ASP.NET網(wǎng)頁處理程序時(shí)，其實(shí)您也在使用一種形式的代理（每次調(diào)用時(shí)都重置狀態(tài)）。在各種情況下，隔離與通信有關(guān)的狀態(tài)是很常見的需求。

隔離的代理是一種最終的實(shí)現(xiàn)方式──例如，實(shí)現(xiàn)可伸縮的編程算法，包括可伸縮的請(qǐng)求服務(wù)器及分布式編程算法。與其他各種異步及并發(fā)編程模式一樣，它們也不能被濫用。然而，他們是一種優(yōu)雅、強(qiáng)大且高效的技術(shù)，使用非常廣泛。

F#是一個(gè)獨(dú)特的，隨Visual Studio 2010一同出現(xiàn)的托管語言，完整支持輕量級(jí)的異步計(jì)算及內(nèi)存種的代理。在F#中，異步代理可以通過組合的形式編寫，而不用使用回調(diào)函數(shù)或控制反轉(zhuǎn)等方式。這里有些權(quán)衡的地方──例如：在以后的文章中，我們會(huì)觀察如何使用.NET類庫中標(biāo)準(zhǔn)的APM模式來釋放您的代理。然而，優(yōu)勢(shì)也是很明顯的：易于控制，伸縮性強(qiáng)，并且在需要的時(shí)候，便可以在組織起CPU和I/O并行操作的同時(shí)，保持CPU密集型代碼在.NET中的完整性能。

當(dāng)然，也有其他一些.NET或基于JVM的語言支持輕量級(jí)的交互式代理──早前，有人認(rèn)為這在.NET是“不可能”的事情，因?yàn)榫€程的代價(jià)十分昂貴。而如今，F(xiàn)#在2007年引入了“async { ... }”，這被視為語言設(shè)計(jì)上的一個(gè)突破──它讓程序員可以在一個(gè)被業(yè)界廣泛認(rèn)可的編程平臺(tái)上構(gòu)建輕量級(jí)、組合式的異步編程及交互式的代理。除了Axum語言原型（它也受了F#的影響）之外，F(xiàn)#還證明了一個(gè)異步語言特性是一個(gè)完全可行的方法，這也解放了如今業(yè)界運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)爭(zhēng)論話題：我們是否要將線程做得輕量？

文章轉(zhuǎn)自老趙的博客，

原文地址：http://blog.zhaojie.me/2010/03/async-and-parallel-design-patterns-in-fsharp-3-more-agents.html


網(wǎng)站欄目：F#中的異步及并行模式：代理的高級(jí)使用
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