使用HPX编写分布式应用程序的全面指南

使用HPX编写分布式应用程序的全面指南

hpx The C++ Standard Library for Parallelism and Concurrency 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/hp/hpx

概述

HPX是一个高性能并行计算框架，它实现了ParalleX执行模型，为开发者提供了编写分布式应用程序的强大工具。本文将深入探讨HPX中用于编写分布式应用程序的核心功能，包括全局地址空间(AGAS)、远程可执行函数(动作)和分布式对象(组件)。

全局地址空间(AGAS)

HPX实现了一个称为"活动全局地址空间"(AGAS)的系统，它为应用程序运行的所有节点提供了一个统一的地址空间。AGAS是ParalleX执行模型的基础组件，具有以下关键特性：

1. 统一内存视图：AGAS将所有可用内存视为同一地址空间的一部分，没有严格的本地和全局内存划分。

2. 对象迁移能力：命名对象可以在不同节点间迁移，而无需更改对象名称，这对动态负载平衡和动态工作流应用特别有用。

3. 地址不变性：对象迁移时，AGAS不需要维护额外的间接引用，简化了代码管理并减少了开销。

在HPX中，全局地址使用hpx::id_type数据类型表示，类似于void*指针，不暴露所指对象的类型信息。

常用API函数

HPX提供了一系列API函数来管理全局地址：

• hpx::find_here()：获取当前节点的全局地址
• hpx::find_all_localities()：获取所有可用节点的全局地址
• hpx::find_remote_localities()：获取所有远程节点的全局地址
• hpx::get_num_localities()：获取可用节点数量
• hpx::find_locality()：查找支持特定组件类型的节点地址
• hpx::get_colocation_id()：获取托管特定对象的节点地址

此外，还可以使用hpx::components::new_()在指定节点上创建组件的新实例。

动作(Actions)定义与使用

动作是HPX中用于描述可能远程操作的特殊类型。每个需要远程调用的全局函数或成员函数都需要定义对应的动作类型。

全局函数动作定义

对于全局函数，可以使用HPX_PLAIN_ACTION宏定义动作类型：

namespace app {
    void some_global_function(double d) {
        cout << d;
    }
}

// 定义表示app::some_global_function的动作类型
HPX_PLAIN_ACTION(app::some_global_function, some_global_action);

如果需要在非全局命名空间中定义动作类型，可以使用HPX_DEFINE_PLAIN_ACTION和HPX_REGISTER_ACTION组合：

namespace app {
    void some_global_function(double d) { /*...*/ }
    HPX_DEFINE_PLAIN_ACTION(some_global_function, some_global_action);
}

HPX_REGISTER_ACTION(app::some_global_action, app_some_global_action);

组件成员函数动作定义

对于已注册到AGAS的组件成员函数，需要使用HPX_DEFINE_COMPONENT_ACTION宏：

namespace app {
    struct some_component : hpx::components::component_base<some_component> {
        int some_member_function(std::string s) {
            return boost::lexical_cast<int>(s);
        }
        
        HPX_DEFINE_COMPONENT_ACTION(some_component, some_member_function,
            some_member_action);
    };
}

HPX_REGISTER_ACTION_DECLARATION(app::some_component::some_member_action, 
    some_component_some_action);

然后在源文件中注册组件和动作：

typedef hpx::components::component<app::some_component> component_type;
HPX_REGISTER_COMPONENT(component_type, some_component);

typedef some_component::some_member_action some_component_some_action;
HPX_REGISTER_ACTION(some_component_some_action);

动作调用方式

HPX提供了多种动作调用方式，每种方式都有不同的语义和用途。

异步无同步调用(hpx::post)

"触发后不管"方式，确保动作关联的函数在目标节点上调度执行，但不等待函数开始运行：

some_global_action act;
hpx::post(act, hpx::find_here(), 2.0);  // 本地调用

some_component_action act;
hpx::post(act, id, "42");  // 组件成员函数调用

异步有同步调用(hpx::async)

与hpx::post类似，但返回一个hpx::future<>来封装异步操作结果：

some_global_action act;
hpx::future<void> f = hpx::async(act, hpx::find_here(), 2.0);
// ... 其他代码可以在这里执行
f.get();  // 等待异步操作完成

some_component_action act;
hpx::future<int> f = hpx::async(act, id, "42");
// ... 
cout << f.get();  // 获取结果42

同步调用

看起来像常规同步调用，但实际上会挂起调用线程，等待函数返回：

some_global_action act;
act(hpx::find_here(), 2.0);  // 同步调用全局函数

some_component_action act;
int result = act(id, "42");  // 同步调用组件成员函数

虽然语法上是同步的，但实际上是异步操作，调用线程会被挂起，HPX线程调度器会在此期间调度其他工作，有助于隐藏通信延迟。

高级特性

HPX还提供了与C++标准库类似的异步编程工具：

1. hpx::bind：类似于std::bind，但支持动作和常规函数
2. hpx::function：类似于std::function，但支持动作和常规函数
3. hpx::async_continue：扩展的标准异步操作

最佳实践

1. 合理选择调用方式：根据是否需要等待结果选择post、async或同步调用
2. 利用地址不变性：设计应用时考虑对象迁移的可能性
3. 隐藏通信延迟：使用同步调用语法让调度器优化工作负载
4. 类型安全：注意全局地址的类型擦除特性，确保正确使用

总结

HPX为分布式计算提供了强大而灵活的工具集。通过AGAS、动作和组件，开发者可以构建高效、可扩展的分布式应用程序，同时享受类似本地编程的开发体验。理解这些核心概念和API是掌握HPX分布式编程的关键。

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