使用 .NET Remoting 实现并行计算
Eric Bergman-Terrell
.NET Remoting 使您可以跨多台计算机轻松进行分布计算，只需完成非常少的编程工作。在本文中，Eric Bergman-Terrell 创建了一个名为 Digits of Pi 的应用程序，它使用并行的多台计算机以不可思议的精度计算 p 值。他设法在 12 小时内完成了 10,000 位数的计算，却只使用了相当少的计算资源。这比用一台计算机单独完成计算快了 300％。
单击下载文件下载示例应用程序源代码后，打开 Everything.sln 解决方案。此解决方案包含运行“Digits of Pi”应用程序所需的三个项目（Client、Server 和 ServerLoader）。还包含一个名为 SimpleClient 的项目，我们稍后再讨论它。加载 Everything.sln 之后，请选择 Build（编译）| Batch Build...（批编译...）。单击 Select All（全部选定）按钮，然后单击 Build（编译）。编译所有内容后，请在本地计算机以及您的 LAN 中的远程计算机上安装该软件。
在本地计算机上，创建一个文件夹并将以下文件复制到其中：
Server/bin/Release/Plouffe_Bellard.dll
Client/bin/Release/DigitsOfPi.exe
在每个远程计算机和本地计算机上，创建一个文件夹并将以下文件复制到其中：
Server/bin/Release/Plouffe_Bellard.dll
ServerLoader/bin/Release/ServerLoader.exe
ServerLoader/ServerLoader.exe.config
然后运行 ServerLoader.exe 程序。当然，运行 ServerLoader 和 Digits of Pi 程序之前，需要在每台计算机上安装 .NET Framework。
在所有远程计算机和本地计算机上运行 ServerLoader 程序后，请运行 Digits of Pi 程序。单击 Configure...（配置...）（参见图 1），添加本地计算机名和远程计算机名。如果不确定某台计算机的名称，请查看 ServerLoader 程序，它在表中显示其计算机名。如果您很幸运地拥有一个多 CPU 系统，您只需为所有 CPU 输入一次计算机名。只需在计算机名后键入 @ 符号和一个编号。例如，如果您拥有一个名为“Brainiac”的双 CPU 系统，则键入以下计算机名：“Brainiac@1”和“Brainiac@2”。不必为多个 CPU 系统输入多个计算机名，但是这样做可以确保所有计算机的 CPU 都用于计算 p 值。输入所有计算机名后，单击 OK（确定）。
然后指定要计算的位数（参见图 2）并单击 Calculate（计算）。请从较少的位数开始，p 值小数点后面的位数越多，程序所需的时间就越长。
图 3 显示了 Digits of Pi 程序如何在本地计算机和远程计算机中分配工作量，它使用 TCP/IP 端口 9000 发送请求并接收结果。接下来，我们将详细探讨 Remoting、Plouffe_Bellard 服务器对象、ServerLoader 程序、SimpleClient 程序和 Digits of Pi 程序。
Remoting 基础
.NET Remoting 使对象可以与其他对象通信，无论它们运行在同一台计算机上还是运行在远程计算机上。.NET Remoting 与 Web 服务非常类似，但是 .NET Remoting 技术更适于 Digits of Pi 这种完全以 .NET 编程语言编写的应用程序，并且只能在运行 .NET Framework 的计算机上运行。请参阅本文末尾“其他资源”中的“ASP.NET Web Services or .NET Remoting: How to Choose”，对两种技术进行比较。
您可以通过以下步骤使用 .NET Remoting 访问远程对象：
- 创建从 System.MarshalByRefObject 继承的 .NET 服务器对象 (DLL)。该服务器对象将在远程计算机和本地计算机上运行。
- 创建通过调用 RemotingConfiguration.Configure 加载服务器对象的服务器加载器程序。服务器加载器程序也将在远程计算机和本地计算机上运行。
- 创建使用 Activator.GetObject 访问服务器对象的客户端程序。您需要添加对服务器对象的引用以编译此程序。此客户端程序只在本地计算机上运行。
服务器对象
服务器对象将计算指定的九位 p 值。它被命名为 Plouffe_Bellard，因为它使用 Fabrice Bellard 的增强的 Simon Plouffe 算法。虽然存在更快的算法，但 Plouffe-Bellard 算法非常简单（少于 300 行源代码），它使用少量的内存，并且由于九位数字可以单独计算，因此更适于并行执行。Plouffe_Bellard.CalculatePiDigits 方法将计算在指定位置开始的九位 p 值。例如，CalculatePiDigits(1) 从第一位开始返回九位数字：141592653。CalculatePiDigits(10) 从第十位开始返回九位数字，依此类推。
ServerLoader
ServerLoader 程序将加载服务器对象，指定通过 LAN 访问服务器对象的协议和端口，侦听来自客户端程序的传入调用，处理调用并返回结果。特别值得注意的是，所有这些只需一行代码便可完成，只需通过使用配置文件的路径调用 RemotingConfiguration.Configure 方法。ServerLoader 程序将加载名为 ServerLoader.exe.config 的配置文件（参见表 1）。此配置文件指定以 SingleCall 模式加载服务器对象，即每个传入调用都由服务器对象的一个新实例处理。如果服务器对象以 Singleton 模式加载，每个传入调用都将由同一个实例处理。类型属性指定服务器对象的完整类型名称（包括 PB 命名空间）及其程序集的名称。objectUri 属性指定对象的统一资源标识符 (URI) 的端点。<channel> 元素指定使用 TCP 协议，端口 9000 访问服务器对象。
表 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
我创建了一个名为 SimpleClient 的程序，以说明客户端程序访问远程计算机上的服务器对象是多么容易。要运行 SimpleClient，首先在远程计算机上运行 ServerLoader，然后在本地计算机上运行 SimpleClient.exe 程序。在 Remote Machine（远程计算机）文本框中输入远程计算机的名称，然后单击 Calculate（计算）按钮开始计算第一个九位 p 值。SimpleClient 的 CalculateButton_Click 方法包含客户端访问远程服务器所需的所有代码（参见表 2）。可以使用由远程计算机名、协议 (TCP) 和端口号 (9000) 组成的 URL 访问远程服务器。例如，要访问我的“Pentium 200”计算机，则 URL 为 tcp://Pentium 200:9000/ServerLoader/Plouffe_Bellard。创建 URL 后，将使用服务器的类型 (Plouffe_Bellard) 和 URL 调用 Activator.GetObject。然后，返回的值被转换为 Plouffe_Bellard 对象以备使用。调用其 CalculatePiDigits 方法时，请求被发送到远程计算机上的 ServerLoader。然后，服务器对象计算小数位。最后，在一个文本框中显示返回客户端程序的结果。
表 2：用于访问远程服务器的 SimpleClient 代码。
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(
"需要在计算机 " +
MachineName, "Simple Client 上运行 ServerLoader.exe",
MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);
}
Cursor.Current = Cursors.Arrow;
}
Digits of Pi 客户端
Digits of Pi 客户端程序比 SimpleClient 更复杂。SimpleClient 仅通过访问远程计算机上的服务器对象来计算前九位 p 值。而 Digits of Pi 则同时使用 Configure（配置）对话框中指定的远程计算机和本地计算机（如 图 1 所示）并行计算用户指定的小数位。服务器对象在单独的线程中访问，以便在可能需要很长时间的计算过程中保持 Digits of Pi GUI 对用户操作的响应性。
Digits of Pi 使用数组将作业分为九位数据块，将工作量分配到所有可用的计算机上。用户单击 Calculate（计算）按钮后，将创建 SolutionArray（参见图 4）。SolutionArray 为要计算的每组九位 p 值分配一个 SolutionItem 元素。服务器对象计算 m_Digit 字段指定的九位数组后，数位将存储在 m_Results 成员中。m_MachineName 成员包含运行服务器的计算机的名称。存储计算机名是为了使 Digits of Pi 能够显示每台计算机计算的小数总数（参见图 2）。
为使服务器对象并行计算，Digits of Pi 将为每个服务器对象创建一个线程并启动线程计算。然后，必须等待所有线程完成计算后才能显示最终结果。WaitHandle 对于等待多个线程很有用。Digits of Pi 将为每个线程使用一个 WaitHandle，以等待所有线程完成计算。
将调用 CalculationThread.Calculate（参见表 3）以便为每个服务器对象创建一个线程。该操作将启动线程运行，然后返回一个 AutoResetEvent（从 WaitHandle 衍生而来）。每个线程的 AutoResetEvent 都存储在一个数组中，然后数组被传递给 WaitHandle.WaitAll。完成线程计算后，将对其 AutoResetEvent 调用 Set 方法。最后一个线程调用 Set 方法后，将返回 WaitAll 调用，并显示 p 的值。
表 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;
}
每个线程都使用相同的算法：如果有更多的工作要处理，线程将夺取下一个 SolutionItem，在 SolutionItem 中存储服务器对象的计算机名，计算指定的九位小数，并将结果存储在 SolutionItem 中。此进程将一直运行，直到所有 SolutionItem 中都填充了结果。有关详细信息，请参见表 4。
表 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(
"无法访问主机上的远程对象 " +
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();
}
}
下面是逐步的说明：
- GetRealMachineName 从多 CPU 计算机名中删除 @1 模式。例如，GetRealMachineName("Brainiac@1") 返回 "Brainiac"。有关多 CPU 计算机名的解释，请参见图 1 对话框中的文本。
- 知道正确的计算机名后，将其传递给 RemotePiCalculator.GetPiCalculator，这样才可以通过 PiCalculator 变量访问该计算机上的服务器对象。
- 如果用户单击了 Cancel（取消）按钮，将设置 Abort 属性。如果 Abort 属性为 true，线程将停止计算。
- 对 MF.Invoke 的调用使线程可以安全地更新 ListView 中的统计数据（参见图 2），即使该 ListView 是由另一个线程创建的。在 32 位 Windows 编程中，绝不允许在创建某个控件的线程之外处理该控件。
- 完成循环（即计算完指定的所有 p 位数或者用户单击 Cancel [取消] 按钮）后，将调用线程的 AutoResetEvent 的 Set 函数。
- 当每个线程都调用其 AutoResetEvent 的 Set 函数后，将返回对 WaitHandle.WaitAll 的调用并显示结果。
线程同步
如果 Digits of Pi 的代码由多个线程同时访问，可能会有多个地方出现错误。例如，如果两个线程同时调用 SolutionArray.GetNextItem，可能会返回相同的内容。这就是在 GetNextItem 方法中设置 [MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)] 属性的原因，该属性可以确保一次只有一个线程调用该方法。如果方法的每一行代码都不应由多个线程同时访问，则使方法同步是一个很好的策略。
由于 MainForm.Calculate 方法只有一行代码不能同时被多个线程访问，因此它将在该行代码之前调用 Monitor.Enter，并在其后调用 Monitor.Exit。如果该行代码已在其他线程上运行，Monitor.Enter 将被阻止。如果整个函数已实现同步，那么只保护需要防止多个线程访问的代码行可以提高性能。
从 System.Windows.Forms.Control 衍生的对象（例如 Button、TextBoxe、RichTextBoxe、Label、ListBoxe、ListView 等等）只应由创建它们的线程处理。要从非创建线程中安全处理 Control 衍生对象，请首先将处理代码放入一个方法，然后为该方法声明一个代理：
delegate void SetResultsTextDelegate(String Text);
private void SetResultsText(String Text)
{
ResultsRichTextBox.Text = Text;
}
然后使用 Form.Invoke 间接调用该方法：
SetResultsTextDelegate SRTD = new
SetResultsTextDelegate(SetResultsText);
Invoke(SRTD, new object[] { "" } );
Invoke 方法将从创建它的线程中调用该方法，它使用的参数与对象数组中的元素相对应。
小结
.NET Remoting 是一种在远程（和本地）计算机上执行代码的简单而有效的机制。只需将代码封装到 .NET 对象中，编写加载该对象并侦听请求的程序，然后在客户端程序中调用 Activator.GetObject。如果您的 LAN 中有一些闲置的计算机，可以利用它们轻松地解决并行问题。只需记住要使用正确的线程同步机制，以防止线程之间发生冲突。
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其他资源
- “ASP.NET Web 服务还是 .NET Remoting：如何选择 ”(http://www.microsoft.com/china/msdn/library/dnbda/html/bdadotnetarch16.asp) 一文很有用，它对 .NET Web Service 和 .NET Remoting 进行了比较。
- Fabrice Bellard's Pi Page (http://fabrice.bellard.free.fr/pi/) 提供了一些用于计算 p 值的有用公式和源代码，包括 Digits of Pi 程序中使用的算法的 C 语言源代码。
- 有关远程访问程序的源代码，请访问 www.personalmicrocosms.com/html/ra.html。此程序使用 .NET Remoting 显示远程计算机的桌面，并使用本地计算机的键盘和鼠标运行远程计算机。
- 有关数学化方面的内容，请参阅 Petr Beckmann 著的《History of Pi》（St. Martin's Press 1971 年出版），这是一本相当不错的书，因为 p 的历史就是数学历史的微观反映。Beckmann 的书涵盖了 p 的数学历史以及政治历史。
- Ingo Rammer 的《Advanced .NET Remoting》（Apress 2002 年出版）是有关 Remoting 的权威指南。此书看起来更适合从头到尾的详细阅读。我倒是希望此书能够适合我的“随便翻翻”的阅读习惯。