.NET प्लेटफ़ॉर्म पर किताब "कॉम्पिटिटिवनेस एंड कॉनएरेबिलिटी। प्रभावी डिजाइन पैटर्न ”

हाय, हब्रोज़ितेली! Riccardo Terrell की पुस्तक .NET में प्रतिस्पर्धात्मक और स्केलेबल प्रोग्राम बनाने के बारे में मार्गदर्शन प्रदान करती है, एक कार्यात्मक प्रतिमान के लाभों को उजागर करती है और आसानी से और सही ढंग से प्रतिस्पर्धा करने के लिए उचित उपकरण और सिद्धांत प्रदान करती है। परिणामस्वरूप, नए कौशल के साथ सशस्त्र, आप सफल उच्च-प्रदर्शन समाधान प्रदान करने में विशेषज्ञ बनने के लिए आवश्यक ज्ञान प्राप्त करेंगे।

यदि आप .NET में मल्टीथ्रेडेड कोड लिख रहे हैं, तो यह पुस्तक आपकी मदद कर सकती है। यदि आप प्रतिस्पर्धी प्रोग्रामिंग को सरल बनाने और अनुप्रयोग प्रदर्शन को अधिकतम करने के लिए एक कार्यात्मक प्रतिमान का उपयोग करने में रुचि रखते हैं, तो यह पुस्तक आपके लिए एक महत्वपूर्ण मार्गदर्शिका होगी। यह किसी भी .NET डेवलपर को लाभान्वित करेगा, जो प्रतिस्पर्धात्मक, प्रतिक्रियाशील और अतुल्यकालिक अनुप्रयोगों को लिखना चाहता है जो कि पैमाने और स्वचालित रूप से उपलब्ध हार्डवेयर संसाधनों के अनुकूल होते हैं जहां ये प्रोग्राम काम करते हैं।

प्रकाशन संरचना: रोडमैप

इस पुस्तक के चौदह अध्यायों को तीन भागों में विभाजित किया गया है। भाग I प्रतिस्पर्धी प्रोग्रामिंग की कार्यात्मक अवधारणाओं को प्रस्तुत करता है और मल्टीथ्रेडेड प्रोग्राम लिखने के कार्यात्मक पहलुओं को समझने के लिए आवश्यक कौशल का वर्णन करता है।

• अध्याय 1, मूल अवधारणाओं और प्रतिस्पर्धी प्रोग्रामिंग के लक्ष्यों का वर्णन करता है, साथ ही बहुआयामी अनुप्रयोगों को लिखने के लिए कार्यात्मक प्रोग्रामिंग का उपयोग करने के कारणों का वर्णन करता है।
• अध्याय 2 बहु-थ्रेडेड अनुप्रयोगों के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए कार्यात्मक प्रोग्रामिंग प्रौद्योगिकियों की एक श्रृंखला की खोज करता है। इस अध्याय का उद्देश्य पुस्तक के बाकी हिस्सों में उपयोग की जाने वाली अवधारणाओं के साथ पाठक को प्रदान करना है और एक कार्यात्मक प्रतिमान से उत्पन्न होने वाले शक्तिशाली विचारों को प्रस्तुत करना है।
• अध्याय 3 अपरिवर्तनीयता की कार्यात्मक अवधारणा का अवलोकन देता है। यह बताता है कि पूर्वानुमान योग्य और सही प्रतिस्पर्धी कार्यक्रमों को लिखने और कार्यात्मक डेटा संरचनाओं को लागू करने के लिए अपरिवर्तनीयता का उपयोग कैसे किया जाता है जो प्रकृति में सुरक्षित हैं।

भाग II में, एक कार्यात्मक प्रतिमान में प्रतिस्पर्धी प्रोग्रामिंग के विभिन्न मॉडलों की गहराई से जांच की जाती है। हम टास्क पैरेलल लाइब्रेरी (TPL) जैसे विषयों का पता लगाएंगे, और Fork / Join, divide and conquer, और MapReduce जैसे समानांतर टेम्पलेट्स को लागू करेंगे। यह खंड घोषणात्मक लेआउट, अतुल्यकालिक संचालन, एजेंट प्रोग्रामिंग और संदेश हस्तांतरण शब्दार्थ में उच्च-स्तरीय अमूर्तता पर भी चर्चा करता है।

• अध्याय 4 डेटा की बड़ी मात्रा के समानांतर प्रसंस्करण की मूल बातें बताता है, जिसमें फोर्क / जॉइन जैसे टेम्पलेट शामिल हैं।
• अध्याय 5, बड़ी मात्रा में सूचना के समानांतर प्रसंस्करण के लिए और अधिक परिष्कृत तरीकों का परिचय देता है, जैसे कि समानांतर एकत्रीकरण, डेटा में कमी, और समानांतर MapReduce टेम्पलेट का कार्यान्वयन।
• अध्याय 6, अतुल्यकालिक ईवेंट कॉम्बिनेटरों को बनाने के लिए .NET रिएक्टिव एक्सटेंशन में उच्च-क्रम के कार्यात्मक ऑपरेटरों का उपयोग करके वास्तविक समय में प्रसंस्करण के लिए कार्यात्मक तरीकों (डेटा) धाराओं के बारे में विस्तृत जानकारी प्रदान करता है। फिर अध्ययन विधियों का उपयोग प्रतिस्पर्धी प्रकाशक-ग्राहक प्रतिक्रियाशील टेम्पलेट को लागू करने के लिए किया जाएगा।
• अध्याय 7 कार्य-आधारित प्रोग्रामिंग मॉडल की व्याख्या प्रदान करता है जैसा कि मोनाडिक टेम्पलेट का उपयोग करके प्रतिस्पर्धी संचालन को लागू करने के लिए कार्यात्मक प्रोग्रामिंग पर लागू किया गया है। फिर इस पद्धति का उपयोग एक कार्यात्मक प्रोग्रामिंग प्रतिमान के आधार पर एक प्रतिस्पर्धी पाइपलाइन बनाने के लिए किया जाता है।
• अध्याय 8 सी # एसिंक्रोनस प्रोग्रामिंग मॉडल का उपयोग करके असीमित समानांतर कंप्यूटिंग के कार्यान्वयन के लिए समर्पित है। इस अध्याय में एसिंक्रोनस संचालन के निर्माण के लिए त्रुटि से निपटने के तरीकों और विधियों पर भी चर्चा की गई है।
• अध्याय 9 एफ # में अतुल्यकालिक वर्कफ़्लो का वर्णन करता है। यह दिखाता है कि इस मॉडल में एक आस्थगित और स्पष्ट मूल्यांकन किस प्रकार उच्च संरचनात्मक शब्दार्थ के लिए अनुमति देता है। तब हम सीखेंगे कि ऐब्सट्रैक्शन के स्तर को बढ़ाने के लिए कस्टम कम्प्यूटेशनल एक्सप्रेशन्स को कैसे लागू किया जाए।
• अध्याय 10 दिखाता है कि कैसे पिछले अध्यायों, कॉम्बीनेटरों और टेम्पलेट्स में प्राप्त ज्ञान के आधार पर, जैसे कि फ़न्क्टर, मोनाड, और ऐप्लिकेटिव, को कई अतुल्यकालिक संचालनों को बनाने और चलाने और साइड इफेक्ट के बिना त्रुटियों को संभालने के लिए लागू किया जा सकता है।
• अध्याय 11 एक सॉफ्टवेयर मैसेजिंग मॉडल का उपयोग करके प्रतिक्रियाशील प्रोग्रामिंग का विश्लेषण करता है। यह एक प्रौद्योगिकी के रूप में प्राकृतिक अलगाव की अवधारणा को प्रकट करता है जो अपरिवर्तनीयता को पूरक करता है और प्रतिस्पर्धी कार्यक्रमों के निर्माण की अनुमति देता है। यह अध्याय एजेंट प्रोग्रामिंग और संसाधन-मुक्त दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए समानांतर काम को वितरित करने के लिए F # में प्रयुक्त मेलबॉक्सप्रोसेसर वर्ग पर केंद्रित है।
• अध्याय 12 C # में उदाहरणों के साथ .NET से TPL डेटाफ़्लो लाइब्रेरी का उपयोग करके एजेंट प्रोग्रामिंग का वर्णन करता है। यह दिखाता है कि C # में स्टेटलेस और स्टेटफुल एजेंटों को कैसे लागू किया जाए, साथ ही साथ समानांतर में कई गणनाएं कैसे करें कि एक पाइपलाइन की शैली में संदेशों का उपयोग (भेजना) एक दूसरे के साथ डेटा का आदान-प्रदान करें।

भाग III दिखाता है कि पिछले अध्याय में अध्ययन किए गए प्रतिस्पर्धी प्रोग्रामिंग के सभी कार्यात्मक तरीकों को कैसे व्यवहार में लाया जाए।

• अध्याय 13 वास्तविक व्यवहार से ली गई जटिल प्रतिस्पर्धी समस्याओं को हल करने के लिए उपयोगी व्यंजनों का एक सेट प्रस्तुत करता है। इन व्यंजनों में इस पुस्तक में वर्णित सभी कार्यात्मक पैटर्न का उपयोग किया गया है।
• अध्याय 14 इस पुस्तक में अध्ययन किए गए कार्यात्मक प्रतिस्पर्धी टेम्पलेट्स और तरीकों का उपयोग करके विकसित और कार्यान्वित एक पूर्ण विकसित अनुप्रयोग का वर्णन करता है। आप एक उच्च स्केलेबल, उत्तरदायी सर्वर एप्लिकेशन और एक उत्तरदायी क्लाइंट प्रोग्राम बनाएंगे। पुस्तक में दो संस्करण शामिल हैं: एक iOS (iPad) के लिए, Xamarin Visual Studio का उपयोग करके बनाया गया, और दूसरा - Windows प्रस्तुति फाउंडेशन (WPF) का उपयोग करके बनाया गया। सर्वर अनुप्रयोग में अधिकतम स्केलेबिलिटी सुनिश्चित करने के लिए, विभिन्न प्रोग्रामिंग मॉडल, जैसे एसिंक्रोनस, एजेंट और रिएक्टिव के संयोजन का उपयोग किया जाता है।

पुस्तक में तीन अनुप्रयोग भी हैं।

• परिशिष्ट A कार्यात्मक प्रोग्रामिंग की मूल अवधारणाओं का संक्षेप में वर्णन करता है, साथ ही इस पुस्तक में उपयोग किए जाने वाले कार्यात्मक तरीकों के मूल सिद्धांत को प्रस्तुत करता है।
• परिशिष्ट B F # की मूल अवधारणाओं को प्रकट करता है। यह एफ # की एक बुनियादी समीक्षा है, जो आपको इस भाषा से परिचित होने और पुस्तक पढ़ने के दौरान सहज महसूस करने की अनुमति देगा।
• परिशिष्ट बी कई तरीकों को प्रदर्शित करता है जो एफ # में एक अतुल्यकालिक वर्कफ़्लो और सी # में एक .NET कार्य के बीच बातचीत को सरल करता है।

अंश। 11.6। एफ # मेलबॉक्सप्रोसेसर: गेम ऑफ लाइफ के लिए 10,000 एजेंट

थ्रेड्स की तुलना में, अतुल्यकालिक वर्कफ़्लोज़ के साथ मेलबॉक्सप्रोसेसर एक साधारण कंप्यूटिंग यूनिट (आदिम) है। एजेंट दिखाई दे सकते हैं और कम से कम लागत पर नष्ट हो सकते हैं। आप कई मेलबॉक्‍सप्रोसेसर ऑब्जेक्ट्स को उसी तरह वितरित कर सकते हैं जिस तरह से आप थ्रेड का उपयोग कर सकते हैं, बिना एक नया धागा बनाने के साथ जुड़े अतिरिक्त ओवरहेड के बिना। इसके लिए धन्यवाद, कंप्यूटर संसाधनों पर न्यूनतम भार के साथ समानांतर में काम करने वाले सैकड़ों हजारों एजेंटों से मिलकर एप्लिकेशन बनाना संभव है।

इस खंड में, हम गेम गेम ऑफ लाइफ (गेम "लाइफ") ( विकी-एंग और विकी-रस ) गेम को लागू करने के लिए मेलबॉक्सप्रोसेसर के कई उदाहरणों का उपयोग करेंगे। विकिपीडिया के अनुसार, गेम ऑफ लाइफ, सरल शब्दों में, एक सेलुलर ऑटोमेटन है। यह खिलाड़ियों के बिना एक खेल है - दूसरे शब्दों में, जब कोई गेम यादृच्छिक प्रारंभिक कॉन्फ़िगरेशन के साथ शुरू होता है, तो यह बिना किसी अन्य इनपुट के चलता है। खेल में ग्रिड बनाने वाली कोशिकाओं का एक सेट होता है; प्रत्येक कक्ष में कई गणितीय नियम पूरे होते हैं। कोशिकाएं जीवित, मर सकती हैं और गुणा कर सकती हैं। प्रत्येक सेल आठ पड़ोसियों (पड़ोसी कोशिकाओं) के साथ बातचीत करता है। इन नियमों के अनुसार कोशिकाओं को स्थानांतरित करने के लिए, ग्रिड की नई स्थिति की लगातार गणना करना आवश्यक है।

गेम ऑफ लाइफ के निम्नलिखित नियम हैं:

• यदि किसी सेल में केवल एक पड़ोसी या कोई पड़ोसी नहीं है, तो वह "अकेलेपन से" मर जाता है;
• यदि किसी कोशिका के चार या अधिक पड़ोसी मर जाते हैं, तो यह "अतिप्राप्ति के कारण" मर जाता है;
• यदि सेल में दो या तीन पड़ोसी हैं, तो यह जीवित रहता है;
• यदि किसी कक्ष में तीन पड़ोसी हैं, तो यह गुणा करता है।

प्रारंभिक स्थितियों के आधार पर, कोशिकाएं पूरे खेल में विशिष्ट संरचना बनाती हैं। नियमों के बार-बार आवेदन के माध्यम से, कोशिकाओं की निम्नलिखित पीढ़ियों का निर्माण तब तक किया जाता है जब तक कि कोशिकाएं एक स्थिर स्थिति (छवि 11.12) तक नहीं पहुंच जाती हैं।

11.9 की सूची से पता चलता है कि गेम ऑफ लाइफ एजेंटसेल सेल का कार्यान्वयन एफ # प्रकार के मेलबॉक्सबॉक्स पर आधारित है। प्रत्येक एजेंट सेल अतुल्यकालिक संदेश के माध्यम से पड़ोसी कोशिकाओं के साथ बातचीत करता है, इस प्रकार जीवन का पूरी तरह से समानांतर गेम बनाता है। संक्षिप्तता के लिए, मैंने कोड के कुछ हिस्सों को छोड़ दिया, क्योंकि वे उदाहरण के मुख्य विषय से संबंधित नहीं हैं। प्रकाशक की वेबसाइट पर पोस्ट किए गए इस पुस्तक के स्रोत कोड में आपको पूर्ण कार्यान्वयन मिलेगा।



AgentCell गेम ग्रिड ऑफ लाइफ ग्रिड में एक सेल का वर्णन करता है। मूल अवधारणा यह है कि प्रत्येक एजेंट अपने वर्तमान स्थिति के बारे में अतुल्यकालिक संदेश के माध्यम से पड़ोसी कोशिकाओं के साथ सूचना का आदान-प्रदान करता है। यह टेम्प्लेट इंटरकनेक्टेड समानांतर संचार की एक श्रृंखला बनाता है जो उन सभी कोशिकाओं का उपयोग करता है जो अपनी अद्यतन स्थिति को MailboxProcessor updateAgent पर भेजते हैं। इस डेटा को प्राप्त करने के बाद, अपडेटएजेंट यूजर इंटरफेस (लिस्टिंग 11.10) में ग्राफिक्स को अपडेट करता है।



updateAgent, जैसा कि नाम से पता चलता है, अद्यतन संदेश में प्राप्त सेल मान के अनुसार प्रत्येक पिक्सेल की स्थिति को अपडेट करता है। एजेंट पिक्सेल की स्थिति को बनाए रखता है और इसका उपयोग एक नई छवि बनाने के लिए करता है जब सभी कोशिकाएं अपने नए राज्य पर गुजरती हैं। UpdateAgent इसके बाद इस नई छवि का उपयोग करके WPF GUI को अपडेट करता है जो वर्तमान गेम ऑफ लाइफ ग्रिड से मेल खाता है:

do! Async.SwitchToContext ctx image.Source <- createImage pixels do! Async.SwitchToThreadPool() 

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि WPA नियंत्रक को सही ढंग से अपडेट करने के लिए updateAgent वर्तमान सिंक्रनाइज़ेशन संदर्भ का उपयोग करता है। वर्तमान थ्रेड को Async.SwitchToContext फ़ंक्शन (अध्याय 9 में वर्णित) का उपयोग करके उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस थ्रेड पर स्विच किया जाता है।

गेम ऑफ लाइफ को निष्पादित करने के लिए कोड का आखिरी टुकड़ा एक ग्रिड उत्पन्न करता है जो कोशिकाओं के लिए एक खेल का मैदान के रूप में कार्य करता है, और फिर टाइमर अपडेट को निष्पादित करने की आवश्यकता के बारे में कोशिकाओं को सूचित करता है (लिस्टिंग 11.11)। इस उदाहरण में, ग्रिड 100 × 100 कोशिकाओं का एक वर्ग है, कुल 10,000 कोशिकाएं (मेलबॉक्सप्रोसेसर ऑब्जेक्ट्स), जो प्रत्येक 50 एमएस में एक टाइमर के साथ समानांतर में गणना की जाती हैं, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 11.13। दस हज़ार MailboxProcessor ऑब्जेक्ट इंटरेक्ट करते हैं और यूजर इंटरफेस को प्रति सेकंड 20 बार अपडेट करते हैं (जिस कोड पर आपको ध्यान देना चाहिए वह बोल्ड में दिखाया गया है)।



सभी कोशिकाओं (एजेंटों) को अधिसूचना PLINQ का उपयोग करके समानांतर में भेजा जाता है। कक्ष F # अनुक्रम हैं जिन्हें .NET IEnumerable माना जाता है, जिससे LINQ / PLINQ को एकीकृत करना आसान हो जाता है।


जब कोड निष्पादित किया जाता है, तो प्रोग्राम 1 मिनट से कम समय में 10,000 F # प्रकार की डाकबॉक्सप्रोसेसर उत्पन्न करता है, जबकि एजेंट 25 एमबी से कम मेमोरी पर कब्जा कर लेते हैं। प्रभावशाली!

सारांश

• एजेंट-आधारित प्रोग्रामिंग मॉडल स्वाभाविक रूप से प्रतिस्पर्धी प्रणालियों को लिखते समय अपरिवर्तनीयता और अलगाव प्रदान करता है, जिससे जटिल प्रणालियों पर चर्चा करना और भी आसान हो जाता है, क्योंकि एजेंट सक्रिय वस्तुओं के भीतर समझाया जाता है।
• एक प्रतिक्रियाशील प्रकट एक प्रतिक्रियाशील प्रणाली को लागू करने के लिए गुणों को परिभाषित करता है जो लचीला, शिथिल युग्मित और स्केलेबल है।
• अवरुद्ध किए बिना प्रतिस्पर्धी कोड लिखने के लिए प्राकृतिक अलगाव महत्वपूर्ण है। एक बहु-थ्रेडेड प्रोग्राम में, अलगाव स्थानीय संकलन करने के लिए प्रत्येक थ्रेड को डेटा के कॉपी किए गए टुकड़े के साथ प्रदान करके साझा राज्यों की समस्या को हल करता है। इन्सुलेशन का उपयोग करते समय, कोई दौड़ की स्थिति नहीं होती है।
• अतुल्यकालिक होने के कारण, एजेंट सरल होते हैं क्योंकि वे संदेशों की प्रतीक्षा करते समय धागे को अवरुद्ध नहीं करते हैं। नतीजतन, आप स्मृति की मात्रा पर बहुत अधिक प्रभाव के बिना एक आवेदन में सैकड़ों हजारों एजेंटों का उपयोग कर सकते हैं।
• एक MailboxProcessor F # ऑब्जेक्ट दो-तरफ़ा संचार प्रदान करता है: एक एजेंट कॉलिंग ऑब्जेक्ट पर गणना का परिणाम (उत्तर) वापस करने के लिए एक अतुल्यकालिक चैनल का उपयोग कर सकता है।
• MailboxProcessor के माध्यम से F # में एजेंट प्रोग्रामिंग मॉडल कई कॉन्ट्रोवर्शियल डेटाबेस एक्सेस जैसे अनुप्रयोगों में बाधाओं को हल करने के लिए एक उत्कृष्ट उपकरण है। वास्तव में, एजेंटों की मदद से, आप सर्वर की जवाबदेही को बनाए रखते हुए, एप्लिकेशन को तेजी से बढ़ा सकते हैं।
• अन्य .NET प्रोग्रामिंग लैंग्वेज आपको कार्यों के आधार पर सुविधाजनक TPL प्रोग्रामिंग मॉडल का उपयोग करके F # टाइप MailboxProcessor का उपयोग करने की अनुमति देती हैं।

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