Ejemplos de programación paralela



La utilización de la programación paralela puede incrementar drásticamente la velocidad de ejecución de nuestros programas, por ejemplo imaginar el caso en que tengamos dos tareas A y B, una se ejecuta en 5 segundos y otra en 10 segundos entonces:

- Si las ejecutamos secuencialmente, como se hace habitualmente, tardaríamos en terminarlas 15 segundos
- Si utilizamos WaitForAll tardaríamos 15
- Si utilizamos WaitForAny tardaríamos 5.

La Biblioteca de Programación Paralela (PPL) que incorpora Rad Studio Tokyo proporciona una clase TTask para ejecutar una o múltiples tareas en paralelo, y además añade unos métodos que se utilizan para sincronizar o para detener dichas tareas. A continuación tenéis unos ejempl
os de uso:

Utilizando un array de ITask.


procedure TFormThreading.MyButtonClick(Sender: TObject);
var
 tasks: array of ITask;
 value: Integer;
begin
 Setlength (tasks ,2);
 value := 0;

 tasks[0] := TTask.Create (procedure ()
   begin
     sleep (3000); // 3 seconds
     TInterlocked.Add (value, 3000);
   end);
 tasks[0].Start;

 tasks[1] := TTask.Create (procedure ()
   begin
     sleep (5000); // 5 seconds
     TInterlocked.Add (value, 5000);
   end);
 tasks[1].Start;

 TTask.WaitForAll(tasks);
 ShowMessage ('All done: ' + value.ToString);
end; 

Iniciar una tarea en background que no bloquea al programa principal:

procedure TFormThreading.Button1Click(Sender: TObject);
var
 aTask: ITask;
begin
 // not a thread safe snippet
 aTask := TTask.Create (procedure ()
   begin
     sleep (3000); // 3 seconds
     ShowMessage ('Hello');
   end);
 aTask.Start;
end;

Hay que tener cuidado con los interbloqueos asociados con las variables que se utilicen (se debe utilizar los métodos tInterlocked de la unit System.SyncObjs). TInterlocked implementa operaciones con el propósito de asegurar que el “thread” o el “multi-core” sea seguro y estable cuando se modifican variables que pueden ser accedidas durante la ejecución de múltiples threads. Ejemplo de utilización de tInterlocked.

var iCount: Integer;
begin
  iCount := 0;
  TParallel.&For(1, 10,
    procedure (Current: Integer)
    begin
      TInterlocked.Add(iCount, Current);
    end
  );
end;

Ejemplo de utilización de tInterlocked para hacer una suma utilizando variables globales:

 Se utilizan varios procedimientos:
 TInterlocked.Exchange(iSum, 0); copia el valor “0” a la variable iSum
TInterlocked.Add(iSum, Index); suma el valor Index a la variable iSum y lo devuelve en iSum TInterlocked.Read(iSum); Lee el valor de la variable iSum
Como véis no es obligatorio que tInterlocked se sitúe siempre dentro del bloque tTask.Run
 
VAR
iSum:integer;
procedure TFormMain.button1(Sender: TObject);
begin
//calcula iSum:=0;
  TInterlocked.Exchange(iSum, 0);
  TTask.Run(
    procedure
    begin
      TParallel.For(0, 10,
        procedure (Index: Integer)
        begin
         //calcula iSum := iSum + Index;
          TInterlocked.Add(iSum, Index);
        end);
    end);
end;
//lee cada segundo la variable global iSum en un tTimer
procedure TFormMain.Timer1Timer(Sender: TObject);
begin
 LabelSum.Text:= TInterlocked.Read(iSum);
end;

BUCLES FOR

 La PPL proporciona una función tParallel.For que permite realizar bucles For en paralelo. Equivalencia entre un “for” secuencial y un “for” en paralelo. 

EJEMPLO: BUCLE FOR SIMPLE (NO BLOQUEANTE) utilizando tThread.queue,

Internamente se espera a que la CPU esté en estado Idle).


procedure TFormMain.ButtonStartParallelForClick(Sender: TObject);
begin
  Memo1.Lines.Clear;
  TTask.Run(
    procedure
    begin
      TParallel.For(0, 9,
        procedure (Index: Integer)
        begin
          Sleep(200);
          TThread.Queue(TThread.CurrentThread,
            procedure
            begin
              Memo1.Lines.Add(Index.ToString);
            end);
        end);
    end);
end;

Ejemplo. Cálculo de los números primos menores o iguales a 5000000

uses
  System.Threading;
  System.Diagnostics;
  System.SyncObjs;


const
  Max =5000000;

procedure TForm1.btnForLoopClick(Sender: TObject);
var
  I, Tot: Integer;
  SW: TStopwatch;
begin
    // counts the prime numbers below a given value
   Tot:=0;
   SW := TStopWatch.Create;
   SW.Start;
   for I := 1 to Max do
   begin
     if IsPrime(I) then
        Inc(Tot);
   end;
   SW.Stop;
   Memo1.Lines.Add(Format('Sequential For loop. Time (in milliseconds): %d - Primes found: %d', [SW.ElapsedMilliseconds,Tot]));
end;



procedure TForm1.btnParallelForClick(Sender: TObject);
var
  Tot: Integer;
  SW: TStopwatch;
begin
     try
     // counts the prime numbers below a given value
       Tot :=0;
       SW :=TStopWatch.Create;
       SW.Start;
//el primer parámetro “2” del bucle FOR es opcional e identifica cómo 
//se agrupan los threads al ser ejecutados
       TParallel.For(2,1,Max,procedure(I:Int64)
       begin
         if IsPrime(I) then
          TInterlocked.Increment(Tot);
       end);
     SW.Stop;
      Memo1.Lines.Add(Format('Parallel For loop. Time (in milliseconds): %d - Primes found: %d', [SW.ElapsedMilliseconds,Tot]));
     except on E:EAggregateException do
      ShowMessage(E.ToString);
     end;
end;

function IsPrime(N: Integer): Boolean;
var
  Test, k: Integer;
begin
  if N <= 3 then
    IsPrime := N > 1
  else if ((N mod 2) = 0) or ((N mod 3) = 0) then
    IsPrime := False
  else
  begin
    IsPrime := True;
    k := Trunc(Sqrt(N));
    Test := 5;
    while Test <= k do
    begin
      if ((N mod Test) = 0) or ((N mod (Test + 2)) = 0) then
      begin
        IsPrime := False;
        break; { jump out of the for loop }
      end;
      Test := Test + 6;
    end;
  end;
end;

El resultado muestra que el bucle en paralelo for es mucho más eficiente que el secuencial; 
 

Ejemplo de descarga de una página web utilizando ttask:

procedure TMyForm.StartDownloadTask(lPath: string)
begin
    TTask.Create(
      procedure
      var
        lHTTP: TIdHTTP;
        IdSSL: TIdSSLIOHandlerSocketOpenSSL;
      begin
        lHTTP := TIdHTTP.Create(nil);

        TThread.Synchronize(nil,
          procedure
          begin
            Form1.Caption := 'Task Running...';
          end
        );

        try
          lHTTP.ReadTimeout := 30000;
          lHTTP.HandleRedirects := True;
          IdSSL := TIdSSLIOHandlerSocketOpenSSL.Create(lHTTP);
          IdSSL.SSLOptions.Method := sslvTLSv1;
          IdSSL.SSLOptions.Mode := sslmClient;
          lHTTP.IOHandler := IdSSL;
        Finally
          try
            lHTTP.Get('http://website.com/'+lPath, TStream(nil));
          Finally
            lHTTP.Free;
          end;
        end;

        TThread.Synchronize(nil,
          procedure
          begin
            Memo1.Lines.Add(lPath);
           end
        );

      end
    ).Start;
end;

Ejemplo que utiliza TParallel.for para detener la ejecución de todos los threads cuando se encuentra una respuesta.
Utiliza TParallel.LoopState para avisar a otros procesos que utilizan el loop paralelo. Utilizando la señal “Stop” todas las iteraciones se detienen. Las iteraciones en curso deberían chequear loopState.Stopped.


procedure Parallel3(CS: TCriticalSection);
var
  Ticks: Cardinal;
  i,ix: Integer;  // variables that are only touched once in the Parallel.For loop
begin
  i := 0;
  Ticks := TThread.GetTickCount;
  TParallel.For(1,WorkerCount,
    procedure(index:Integer; loopState: TParallel.TLoopState)
    var
      k,l,m: Integer;
    begin
      // Do something complex
      k := (1000 - index)*1000;
      for l := 0 to Pred(k) do
        m := k div 1000;
      // If criteria to stop fulfilled:
      CS.Enter;
      Try
        if loopState.Stopped then // A solution was already found
          Exit;
        loopState.Stop;  // Signal 
        Inc(i);
        ix := index;
      Finally
        CS.Leave;
      End;
    end
  );
  Ticks := TThread.GetTickCount - Ticks;
  WriteLn('Parallel time ' + Ticks.ToString + ' ticks', ' i :',i,' index:',ix);
end;

EJEMPLO: Utilización de Ttask para dibujar rectángulos, utilizando o no tSyncronize

// Author: Danny Wind
// http://dannywind.nl/wp-content/uploads/2015/10/CodeRageX_DelphiParallelProgrammingDeepDive_DannyWind.zip

procedure TFormMain.ButtonStartParallelForClick(Sender: TObject);
var
  lStride, lFrom, lTo: Integer;
begin
  ClearRectangles;
  lFrom := Low(FRectangles);
  lTo := High(FRectangles);
  lStride := Trunc(NumberBoxStride.Value);
  {TTask.Run executes the entire parallel for loop itself in parallel,
   which enables you to actually see the progress of the for-loop}
  TTask.Run(procedure
            begin
              TParallel.For(lStride, lFrom, lTo, PaintRectangle)
            end);
end;

procedure TFormMain.PaintRectangle(Index: Integer);
var
  lR,lG,lB: Byte;
  lColor:TAlphaColor;
begin
  lR := TThread.CurrentThread.ThreadID MOD High(Byte);
  lG := (2 * lR) MOD High(Byte);
  lB := (4 * lR) MOD High(Byte);
  lColor := MakeColor(lR, lG, lB, High(Byte));
  if CheckBoxSync.IsChecked then
    TThread.Synchronize(TThread.CurrentThread,
        procedure
        begin
          FRectangles[Index].Fill.Color := lColor;
          TLabel(FRectangles[Index].TagObject).Text := Index.ToString;
          FRectangles[Index].TagString := TimeToStr(Now);
          FRectangles[Index].Repaint;
        end)
  else
  begin
    FRectangles[Index].Fill.Color := lColor;
    TLabel(FRectangles[Index].TagObject).Text := Index.ToString;
    FRectangles[Index].TagString := TimeToStr(Now);
    FRectangles[Index].Repaint;
  end;
  Sleep(100);
end;

Para el cálculo de tiempo que tarda la ejecución de procedimientos os recomiendo utilizar la clase tStopWatch de la unit System.SyncObjs, de esta forma:

Var
Sw:tStopWatch;

begin


   SW := TStopWatch.Create;
   SW.Start;

   for I := 1 to Max do
   begin

   …     

   end;

   SW.Stop;
   showmessage(Format('Tiempo empleado (en milisegundos): %d', [SW.ElapsedMilliseconds]));

end;


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