使用.NET Remoting實現并行計算

歡迎進入.NET Remoting的奇妙世界！在這篇文章里，您將與我一起，親自動手體驗并行計算的威力。為了方便您更好地理解這篇文章，請首先按照下面的步驟作一番準備：

1. 從附增光盤獲取示例應用程序及源代碼。
2. 打開Everything.sln解決方案。此解決方案包含運行“Digits of Pi”應用程序所需的三個項目（Client、Server和ServerLoader）。還包含一個名為SimpleClient的項目。加載Everything.sln之后，請選擇Build（編譯）| Batch Build...（批編譯...）。單擊Select All（全部選定）按鈕，然后單擊Build（編譯）。編譯所有內容后，請在本地計算機以及您的LAN中的遠程計算機上安裝該軟件。
3. 在本地計算機上，創建一個文件夾并將以下文件復制到其中：
   • Server\bin\Release\Plouffe_Bellard.dll
   • Client\bin\Release\DigitsOfPi.exe
4. 在每個遠程計算機和本地計算機上，創建一個文件夾并將以下文件復制到其中：
   • Server\bin\Release\Plouffe_Bellard.dll
   • ServerLoader\bin\Release\ServerLoader.exe
   • ServerLoader\ServerLoader.exe.config
5. 然后運行ServerLoader.exe程序。當然，運行ServerLoader和Digits of Pi程序之前，需要在每臺計算機上安裝.NET Framework。

在所有遠程計算機和本地計算機上運行ServerLoader程序后，請運行Digits of Pi程序。單擊Configure...（配置...）（參見圖1），添加本地計算機名和遠程計算機名。如果不確定某臺計算機的名稱，請查看ServerLoader程序，它在表中顯示其計算機名。如果您很幸運地擁有一個多CPU系統，您只需為所有CPU輸入一次計算機名。只需在計算機名后鍵入@符號和一個編號。例如，如果您擁有一個名為“Brainiac”的雙CPU系統，則鍵入以下計算機名：“Brainiac@1”和“Brainiac@2”。為多CPU系統輸入多個計算機名可以確保所有計算機的CPU都用于計算π值。輸入所有計算機名后，單擊OK（確定）。

圖1

指定要計算的位數（參見圖2）并單擊Calculate（計算）。請從較少的位數開始，π值小數點后面的位數越多，程序所需的時間就越長。圖3顯示了Digits of Pi程序如何在本地計算機和遠程計算機中分配工作量，它使用TCP/IP端口9000發送請求并接收結果。接下來，我們將詳細探討Remoting、Plouffe_Bellard服務器對象、ServerLoader程序、SimpleClient程序和Digits of Pi程序。

圖2

圖3

服務器對象

服務器對象將計算指定的九位π值。它被命名為Plouffe_Bellard，因為它使用Fabrice Bellard的增強Simon Plouffe算法。雖然存在更快的算法，但Plouffe-Bellard算法非常簡單（少于300行源代碼），它使用少量的內存，并且由于九位數字可以單獨計算，因此更適于并行執行。Plouffe_Bellard.CalculatePiDigits方法將計算在指定位置開始的九位π值。例如，CalculatePiDigits(0)從第一位開始返回九位數字：141592653。CalculatePiDigits(9)從第十位開始返回九位數字，依此類推。

ServerLoader

ServerLoader程序將加載服務器對象，指定通過LAN訪問服務器對象的協議和端口，偵聽來自客戶端程序的傳入調用，處理調用并返回結果。特別值得注意的是，所有這些只需一行代碼便可完成，只需通過使用配置文件的路徑調用RemotingConfiguration.Configure方法。ServerLoader程序將加載名為ServerLoader.exe.config的配置文件（參見代碼段1）。此配置文件指定以SingleCall模式加載服務器對象，即每個傳入調用都由服務器對象的一個新實例處理。如果服務器對象以Singleton模式加載，每個傳入調用都將由同一個實例處理。類型屬性指定服務器對象的完整類型名稱（包括PB命名空間）及其程序集的名稱。objectUri屬性指定對象的統一資源標識符(URI)的端點。<channel>元素指定使用TCP協議，端口9000訪問服務器對象。代碼段1：ServerLoader.exe.config

<configuration> 
  <system.runtime.remoting>  
    <application name = "ServerLoader">  
      <service> 
        <wellknown 
          mode="SingleCall" 
          type="PB.Plouffe_Bellard,Plouffe_Bellard"
          objectUri="Plouffe_Bellard"/> 
      </service> 
      <channels> 
        <channel ref="tcp server" port="9000"/>
      </channels> 
    </application> 
  </system.runtime.remoting>
</configuration>

SimpleClient

我創建了一個名為SimpleClient的程序，以說明客戶端程序訪問遠程計算機上的服務器對象是多么容易。要運行SimpleClient，首先在遠程計算機上運行ServerLoader，然后在本地計算機上運行SimpleClient.exe程序。在Remote Machine（遠程計算機）文本框中輸入遠程計算機的名稱，然后單擊Calculate（計算）按鈕開始計算第一個九位π值。SimpleClient的CalculateButton_Click方法包含客戶端訪問遠程服務器所需的所有代碼（參見代碼段2）�？梢允褂糜蛇h程計算機名、協議(TCP)和端口號(9000)組成的URL訪問遠程服務器。例如，要訪問我的“Pentium 200”計算機，則URL為“tcp://Pentium 200:9000/ServerLoader/Plouffe_Bellard”。創建URL后，將使用服務器的類型(Plouffe_Bellard)和URL調用Activator.GetObject。然后，返回的值被轉換為Plouffe_Bellard對象以備使用。調用其CalculatePiDigits方法時，請求被發送到遠程計算機上的ServerLoader。然后，服務器對象計算小數位。最后，在一個文本框中顯示返回客戶端程序的結果。代碼段2：用于訪問遠程服務器的SimpleClient代碼

private void CalculateButton_Click(object sender,System.EventArgs e)
{
  Cursor.Current = Cursors.WaitCursor;
  Plouffe_Bellard PiCalculator = null;
  String MachineName = RemoteMachineTextBox.Text;
  try
  {
    int port = 9000;
    String URL = "tcp://" + MachineName + ":" + 
       port + "/ServerLoader/Plouffe_Bellard";
    PiCalculator = (Plouffe_Bellard) 
       Activator.GetObject(typeof(Plouffe_Bellard), URL);
    ResultsTextBox.Text = "3." + 
       PiCalculator.CalculatePiDigits(1);
  }
  catch(Exception)
  {
    MessageBox.Show(
       "需要在計算機" +
       MachineName,
       "Simple Client上運行ServerLoader.exe", 
       MessageBoxButtons.OK,
       MessageBoxIcon.Error);
  }
  Cursor.Current = Cursors.Arrow;
}

Digits of Pi客戶端

Digits of Pi客戶端程序比SimpleClient更復雜。SimpleClient僅通過訪問遠程計算機上的服務器對象來計算前九位π值。而Digits of Pi則同時使用Configure（配置）對話框中指定的遠程計算機和本地計算機（如圖1所示）并行計算用戶指定的小數位。服務器對象在單獨的線程中訪問，以便在可能需要很長時間的計算過程中保持Digits of Pi GUI對用戶操作的響應性。

Digits of Pi使用數組將作業分為九位數據塊，將工作量分配到所有可用的計算機上。用戶單擊Calculate（計算）按鈕后，將創建SolutionArray（參見圖4）。SolutionArray為要計算的每組九位π值分配一個SolutionItem元素。服務器對象計算m_Digit字段指定的九位數組后，數位將存儲在m_Results成員中。m_MachineName成員包含運行服務器的計算機的名稱。存儲計算機名是為了使Digits of Pi能夠顯示每臺計算機計算的小數總數（參見圖2）。

圖4

為使服務器對象并行計算，Digits of Pi將為每個服務器對象創建一個線程并啟動線程計算。然后，必須等待所有線程完成計算后才能顯示最終結果。WaitHandle對于等待多個線程很有用。Digits of Pi將為每個線程使用一個WaitHandle，以等待所有線程完成計算。

將調用CalculationThread.Calculate（參見代碼段3）以便為每個服務器對象創建一個線程。該操作將啟動線程運行，然后返回一個AutoResetEvent（從WaitHandle衍生而來）。每個線程的AutoResetEvent都存儲在一個數組中，然后數組被傳遞給WaitHandle.WaitAll。完成線程計算后，將對其AutoResetEvent調用Set方法。最后一個線程調用Set方法后，將返回WaitAll調用，并顯示π的值。代碼段3：CalculationThread。

public static WaitHandle Calculate(
SolutionArray solutionArray, String machineName)
{
  CalculationThread calculationThread = new 
    CalculationThread(solutionArray, machineName);
  Thread thread = new Thread(new 
    ThreadStart(calculationThread.Calculate));
  thread.Start();
  return calculationThread.calculationDone;
}

每個線程都使用相同的算法：如果有更多的工作要處理，線程將奪取下一個SolutionItem，在SolutionItem中存儲服務器對象的計算機名，計算指定的九位小數，并將結果存儲在SolutionItem中。此進程將一直運行，直到所有SolutionItem中都填充了結果。有關詳細信息，請參見代碼段4。代碼段4：CalculationThread.Calculate

public void Calculate()
{
  Plouffe_Bellard PiCalculator = 
    RemotePiCalculator.GetPiCalculator(
      GetRealMachineName(machineName));
  if (PiCalculator != null)
  {
    SolutionItem Item = null;
    bool Abort;
    do
    {
      Abort = solutionArray.Abort;
      if (!Abort)
      {
        Item = solutionArray.GetNextItem();
        if (Item != null)
        {
          Item.MachineName = machineName;
          try
          {
            Item.Results = 
              PiCalculator.CalculatePiDigits(Item.Digit);
          }
          catch (Exception e)
          {
            Abort = true;
            MessageBox.Show(
              "無法訪問主機上的遠程對象" +
              machineName +
              Environment.NewLine + 
              Environment.NewLine +
              "Message:  " + 
              e.Message, Globals.ProgramName, 
              MessageBoxButtons.OK, 
              MessageBoxIcon.Error);
          }
          UpdateStatisticsDelegate USD = new 
            UpdateStatisticsDelegate(
              MF.UpdateStatistics);
          MF.Invoke(USD, new Object[] {} );
        }
      }
    } while (Item != null && !Abort);
    calculationDone.Set();
  }
}

下面是每一步的說明：

1. GetRealMachineName從多CPU計算機名中刪除@1模式。例如，GetRealMachineName("Brainiac@1")返回“Brainiac”。有關多CPU計算機名的解釋，請參見圖1對話框中的文本。
2. 知道正確的計算機名后，將其傳遞給RemotePiCalculator.GetPiCalculator，這樣才可以通過PiCalculator變量訪問該計算機上的服務器對象。
3. 如果用戶單擊了Cancel（取消）按鈕，將設置Abort屬性。如果Abort屬性為true，線程將停止計算。
4. 對MF.Invoke的調用使線程可以安全地更新ListView中的統計數據（參見圖2），即使該ListView是由另一個線程創建的。在32位Windows編程中，絕不允許在創建某個控件的線程之外處理該控件。
5. 完成循環（即計算完指定的所有π位數或者用戶單擊Cancel [取消]按鈕）后，將調用線程的AutoResetEvent的Set函數。
6. 當每個線程都調用其AutoResetEvent的Set函數后，將返回對WaitHandle.WaitAll的調用并顯示結果。

線程同步

如果Digits of Pi的代碼由多個線程同時訪問，可能會有多個地方出現錯誤。例如，如果兩個線程同時調用SolutionArray.GetNextItem，可能會返回相同的內容。這就是在GetNextItem方法中設置[MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]屬性的原因，該屬性可以確保一次只有一個線程調用該方法。如果方法的每一行代碼都不應由多個線程同時訪問，則使方法同步是一個很好的策略。

由于MainForm.Calculate方法只有一行代碼不能同時被多個線程訪問，因此它將在該行代碼之前調用Monitor.Enter，并在其后調用Monitor.Exit。如果該行代碼已在其他線程上運行，Monitor.Enter將被阻止。如果整個函數已實現同步，那么只保護需要防止多個線程訪問的代碼行就可以提高性能。

從System.Windows.Forms.Control派生的對象（例如Button、TextBox、RichTextBox、Label、ListBox、ListView等等）只應由創建它們的線程處理。要從非創建線程中安全處理Control衍生對象，請首先將處理代碼放入一個方法，然后為該方法聲明一個代理：

delegate void SetResultsTextDelegate(String Text);

private void SetResultsText(String Text)
{
  ResultsRichTextBox.Text = Text;
}

然后使用Form.Invoke間接調用該方法：

SetResultsTextDelegate SRTD = new 
   SetResultsTextDelegate(SetResultsText);

Invoke(SRTD, new object[] { "" } );

Invoke方法將從創建它的線程中調用該方法，它使用的參數與對象數組中的元素相對應。

小結

.NET Remoting是一種在遠程（和本地）計算機上執行代碼簡單有效的機制。只需將代碼封裝到.NET對象中，編寫加載該對象并偵聽請求的程序，然后在客戶端程序中調用Activator.GetObject。如果您的LAN中有一些閑置的計算機，可以利用它們輕松地解決并行問題。只需記住要使用正確的線程同步機制，以防止線程之間發生沖突。