Читаем предыдущую статью. Борьба за реализацию мечты продолжается.

Вячеслав ответил и все в мгновение ока стало ясно. Или, точнее, почти все.

А теперь подробнее...

Действительно, я дал в штангу - промазал с параметрами 2-го фазификатора. Не установил нужные значения. Мой косяк. Сбило то, что, во-первых, результаты совпадали (так уж получилось и теперь понятно почему) и, во-вторых,  сравнивался код. В первую очередь на С++, как первый кандидат на ошибку. А он совпадал.

Сами же параметры скрыты - в свойствах блока и я как-то в суете забыл про них. Что тоже объяснимо (хотя и не оправдывает). Просто на С++ параметры в явном виде в тексте программы, а в SimInTech в неявном - настройках, а я фазификатор размножил копированием. Верхний работал и, вроде, верно, а потому какие могли быть вопросы к скопированному? Это я так  думал. Действительно, к нему вопросов нет (пока), но были (есть?) ко мне. Но я уже покаялся...

Все это безобразие, невнимательность и далее по списку. Но это мой грех, про который я знаю, но преодолеть не в силах :( И потом я не какой-нибудь ChatGPT XXX, который не ошибается. Я же поднял "хайп", народ взбаламутил!? Гнать таких программистов! Заменить на ИИ!... И это уже происходит. И кто-то даже верит, что это поправит дело. Наивный...

Но давайте серьезно. Итак, я установил нужные параметры фазификатору, и результат не заставил себя ждать (см. рис. 1). Но, чтобы он устраивал, так тоже нет. Видна перерегулировка. Опять что-то не так с параметрами? Тьфу-тьфу. Я уже прямо боюсь... :) Но , вроде, с ними разобрались и не должно быть подвоха. Код? Проверено многократно. Глаз "замылился"? Может. Но, если честно, я его/их настолько "замылил", что смотреть на код уже сил просто нет... Тоже обычное дело ;)

Есть задача, а для кого-то почти мечта - реализовать нечеткую математику в ВКПа. И здесь отдельное спасибо Вячеславу Петухову за материал, ставший основой похода в нечеткую логику на базе автоматов. Правда, сам Вячеслав высказался отрицательно о реальности подобного "блицкрига", но, ведь, когда есть цель и неистребимое желание ее достичь, то, порой, даже невозможное становится возможным. Мне же, что там скрывать, очень захотелось в ВКПа создавать объекты на основе нечеткой логики, аналогичные объектам в SimInTech. Тем более, что когда-то теория нечетких множеств привлекала мое внимание, а понятие нечеткого регулятора и сейчас, если честно, бередит мои мысли...

Чтобы от чего-то оттолкнуться, был выбран проект из каталога демо-примеров платформы SimInTech из подкаталога "Автоматика и математика\Нечёткая Логика\Система поддержания уровня воды в баке". И на момент начала написания данной статьи мною уже были успешно реализованы некоторые из типовых блоков библиотеки "Нечеткая логика" платформы SimInTech (см. рис. 1). Заметим, что дополнительную информацию о нечеткой логике можно почерпнуть из справки платформы SimInTech, зайдя в раздел "Лабораторные работы по ВУЗам", затем в "Московский Политех" и в завершение - "Разработка системы нечеткого вывода".

Вернемся к одному из проектов дистрибутива программной платформы SimInTeh,  который был рассмотрен в двух статьях(см. [1, 2]). Он же под именем "Управление водонагревательным котлом" включен в раздел "Лабораторные работы по библиотекам" справочной системы SimInTech. Последнее должно предъявлять к нему повышенные требования, как к примеру, поясняющему, рекламирующему те или иные стороны и возможности программной платформы. Одним словом, он должен быть идеальным ...

Только недавно одна из найденных в нем ошибок  была устранена. Но не это знаменательное событие было причиной вернуться к данной теме, а пришедшая примерно в это же время рассылка, рекламирующая возможности "новейшей российской инженерной платформы Engee". В числе прочих ее достоинств описывались включенные в платформу конечные автоматы  (КА)[3], а в видео по ссылке прослеживалась явная любовь к светофорам. Но  нагреватель в этом смысле ни чуть не хуже, а даже предпочтительнее.

Но "спусковым крючком" стал эмоциональный всплеск не самой положительной оценки данной конечным автоматам (подробнее см. [4]). Примечательно, что прозвучал он со стороны тех, кто ранее ввел этот инструментарий в свою платформу и, как можно предполагать, использует. Видимо, они лучше знают возможности своих автоматов? Но, если серьезно, то это, скорее всего, результат отмеченного "всплеска", который за истину воспринимать не стоит. Тем не менее, необходимо что-то уточнить,  чтобы учесть и такое мнение о КА. 

Итак, перед нами проект "Нагреватель" или "Управление водонагревательным котлом". Я не смог сразу найти проект в ВКПа к тем еще статьям, но, если честно, не сильно его и искал, т.к. решил, что проще создать новый. Хотелось проверить, что получится, если повторить в ВКПа автоматы, полностью аналогичные ранее созданным программным автоматам на внутреннем языке платформы SimInTech. А поскольку они были спроектированы согласно концепциям автоматного программирования, то препятствий не предполагалось. Но ... воистину - "не было этого никогда и вот опять".

Ниже приведен вопрос, заданный искусственному интеллекту (ИИ). Поскольку был использован сайт Chad AI, который использует Chat GPT, то с последним и будем идентифицировать "личность" нашего ИИ. Какие преследовались цели, затевая  общение с ИИ? Любопытно было узнать о его просвещенности в автоматном программировании (АП)? Если ему о нем что-то известно, то хотелось бы понимать меру этого знания и какое его определение он приведет?  А тут возможны варианты. Определение может совпадать с авторским пониманием АП[1], но может быть и другим. А это особенно интересно: как трактуется понятие АП в мире вообще и/или "интеллектом" в частности?  Ведь ИИ по умолчанию должен быть более информированным, чем любой "натурал" - натуральный интеллект (НИ). Последний сосредоточен часто только на своей идее и, кроме того, ему по больше части не доступен столь же огромный объем информации, который "подсунули" во время обучения ИИ.

Итак, вопрос ИИ:

Сформулировать, что собой представляет автоматное программирование, дав его 1) формальное определение и 2) примеры практической реализации, 3) пусть, немножко хотя бы, коснется истории его развития (если оно и эта история есть, конечно).

Был получен следующий ответ (орфография и пунктуация сохранены):

1. Автоматное программирование представляет собой методологию построения программного обеспечения, основанную на использовании автоматов, то есть моделей, которые принимают входные данные, выполняют определенные действия и возвращают результат. Основная идея заключается в том, что программа описывается как последовательность состояний и переходов между ними, что позволяет представить ее как автомат.

В данной статье я опишу свои самые свежие и яркие впечатления от многопоточного программирования. Это мои впечатления, мой опыт  и я буду рад, если он будет полезен другим программистам.

В крайней статье я утверждал, что более серьезные проблемы их поджидают в случае взаимодействующих потоков. Но одно  эти проблемы предполагать или даже предсказывать, а другое - столкнуться с ними непосредственно.

Предсказанное сбылось, как говорится, по полной программе. Думаю, что озвученные далее проблемы для кого-то не станут новостью, но будут и те, кто о них не подозревает, как не подозревал и я. А потому захотелось их зафиксировать и поделиться, с чем пришлось столкнуться.  Ну, и рассказать, как я выкрутился, попав в не совсем привычные для меня ситуации (в автоматном программировании, подчеркну, они не возникли бы в принципе).

Итак, создав ранее тест потоков (о нем подробнее см. [1]), гоняя его многократно и в разных режимах, я заметил, что пусть редко, но выскакивают некорректные результаты. В подобных случаях я грешу обычно на себя. А в данном случае тем более, т.к., что там скрывать, имею весьма небольшой опыт использования потоков.

Но в процессе экспериментов обнажились проблемы, которые сложно списать на недостаток опыты. Что-то при этом удалось преодолеть сразу, с чем-то пришлось повозиться, но были и те проблемы, которые не удалось поправить, даже при наличии достаточно большого опыте в программировании вообще.  О последнем, не об опыте, конечно, а о проблемах, и пойдет далее речь... И даже не о проблемах, а о довольно нежданных и негаданных "засадах", возникших на пути освоения многопоточности.

Disclaimer. Данная работа не повлияла на мои взгляды на программирование, но повлекла достаточно радикальные изменения в подходах к проектированию автоматных объектов.  Теперь, если процесс  автономен и/или не предъявляет требований  к синхронизации, он может использовать другие механизмы параллелизма, не переставая при этом быть автоматным по сути. А почему так случилось, что этому предшествовало  и что это за изменения, вы прочтете далее.

Это не самая большая моя статья (так я думал, начиная ее), над которой я работал, пожалуй, дольше и больше, чем над другими. Но это точно первая моя статья, в которой автоматы и ВКПа не будут главной темой. Тема потоков для меня достаточно необычна, т.к. я совсем не фанат многопоточного программирования. Но,  тем не менее, занимаясь параллельным программированием, время от времени возвращаюсь к теме многопоточности. И вот, чтобы добыть какие-то аргументы для критики и одновременно попробовать найти практическое применение потокам, я решил в этот очередной раз более плотно заняться потоками. А что из этого получилось,  читайте далее.

Наконец‑то мы добрались до конечной цели — графики, которая достаточно близко к реальности моделирует интересующие нас объекты. Речь пойдет об объектах систем управления (СУ). Это датчики, переключатели, индикаторы, моторы, конвейеры, объекты типа рассматриваемой нами гильотины и т. д. и т. п.

Данный цикл статей - не техническая документация, не подробное описание научных идей. Это краткое, обобщенное описание возможностей среды ВКПа на простом примере. Демонстрация процессов и принципов работы в ней. Идеи - проверенная временем часть. Они описаны в статьях, ссылки на основные из них приведены в  первой части [1]. Без понимания этого материала невозможно разобраться, зачем вообще нужна подобная среда. Ведь, существует и другое автоматное программирование. Но только идеи, положенные в их основу, другие.

Отличие идей - это главное, чем объясняется необходимость среды ВКПа. Другой такой просто нет, как нет по большому счету и таких идей. И,  вообще, без понимания основ теории автоматов невозможно объяснить необходимость данной модели вычислений. Ведь, без автоматов программисты когда-то вполне обходились, а большая часть без них обходится и до сих пор.

Среду ВКПа нужно воспринимать, как программное ядро, реализующее параллельную модель вычислений  и оболочку над ним, которая могла быть вполне другой. И среда позволяет это легко сделать. Имеющаяся оболочка кому-то может показаться весьма неудобной - то же обилие диалогов. Но, во-первых, объективно оценить это можно лишь поработав в ней. А, во-вторых, как показывает опыт, восприятие - больше дело привычки. Для автора она удобна. Здесь многолетняя привычка и больший опыт работы с технологией автоматного программирования. Но и то и другое - основные тренды, влияющие на внешний вид и на функциональность оболочки.

В моих статьях часто используется аббревиатура ВКПа. Это сокращение названия программной среды проектирования по канонам технологии автоматного программирования - среды автоматного Визуально-Компонентного Программирования (подробно основы ее теории описаны в статьях [1, 2]). Объяснение, что это за среда, конечно, дается, но, признаю, что делается это часто по ходу, достаточно поверхностно и разбросанно по многим статьям.

Отсюда вполне закономерный вопрос - что собой представляет ВКПа? В результате созрело решение, а, может, просто пришло время, дать достаточно концентрированное, пусть не столь подробное, описание среды. Будет это не техническая документация, т.к. речь все же не о ней, а о расстановке акцентов, точек, которые могли бы дать правильное представление о технологии и среде автоматного программирования, в которой, за очень редким исключением, создается мой программный код.   Но это одна сторона дела. Есть и другая...

Буквально за последние месяцы была проделана объемная целенаправленная работа по развитию среды и, что особенно важно, по повышению качества ее работы.  Раньше она была рассчитана на одного пользователя, который с ее проблемами легко мирился. Но, как говорится, до поры до времени... Теперь этот пользователь, а заодно и разработчик, решил сконцентрировать силы на доведении ее до нормального рабочего состояния.  Пришло, так сказать, время перейти на новый уровень качества среды. И, может, это прозвучит нескромно, но захотелось заодно поделиться также удовольствием от нынешней работы в ВКПа...

Упомянутая в заглавии книга (далее H&H) - это про железо [15]. Я - про программирование, но на базе "железной модели" конечного автомата. И там и там математическая основа одна. Все это, действительно, крутая железная концепция, помогающая поставить не только синтез цифровых схем, но и программирование на совершенно другие рельсы, определяющие его будущее.

Параллелизм у программистов нынче в моде. Но, видимо, они (программисты) совсем не в курсе, что разработчики железа давным-давно погружены в эту тему. А потому им (я все про программистов) есть у кого поучиться. Но, похоже, некие амбиции-заскоки этому  мешают. Но, если вы этим не страдаете, то прочитайте книгу H&H и дойдите, ну, хотя бы до 4-й главы. Попробуйте реализовать одно-два упражнения, используя свой, программистский инструментарий - всякие там корутины, потоки и весь сопутствующий этому террариум. Убедитесь в его полном бессилии. И тогда, может, это заставит кое-что пересмотреть, переосмыслить. Только представьте: логический элемент - отдельный процесс, десятки, сотни, тысячи элементов - множество параллельных процессов, и все это в вашей ладошке (это я про смартфон) и даже работает!

Но пришло время исполнять обещанное (см. предыдущую часть темы в [1]). И пусть количество "плюсов" пока не достигло заданной планки, но ... если каждый "минус" считать за два "плюса", то это уже более чем ... ;) Так что спасибо всем, давшим положительную оценку - нет, не автору, а затронутой теме. Области знаний, от которой многое сейчас зависит.  Это те слова, которые мы вправе сказать в адрес теории, посвященной  синтезу цифровых схем, в адрес тех, кто занимался и занимается ее развитием, становлением и внедрением в практику.

И вот, скачав бесплатную версию книги, я в который раз убедился, что как оно было этак 40-50 лет тому назад, так оно фактически и осталось. Но больше убило другое. В научном плане стало даже хуже. Теорию, судя по содержанию книги, нынче пролетают "по диагонали", что влечет за собой элементарные ошибки, характерные больше для студентов техникума, чем "вышки", на которых, судя по рекламе, эта книга рассчитана.

Нижеследующий разбор примеров из книги, надеюсь, это подтвердит. Но, если в чем-то я не прав, то, как говаривали когда-то, старшие товарищи меня поправят.

Итак, начнем...

"Зацепила" крайняя статья про многопоточность [1]. Но, с другой стороны, - а что ожидал автор, предложив исходное решение без синхронизации? Получил то, что и должен был получить. На другое рассчитывать было бы достаточно наивно. Во-первых, потому, что используется весьма  проблемная модель параллелизма. Во-вторых, расплывчатое представление о решаемой проблеме (по крайней мере, если судить по описанию). Но это уже мое личное мнение и хотелось бы его пояснить. И не просто так, а подкрепив решением.

Имеем счетчик. Только это уже не просто счетчик, а общий ресурс, с которому пытаются получить доступ множество параллельных процессов. Налицо некая общая проблема, с которой приходится сталкиваться на практике. Тут можно добавить, что проблема эта давняя, рассматривалась не раз и ее решений предлагалось множество.

Но, может, автор достиг чего-то нового? Да, вроде, нет. То, что нужно синхронизировать - не новость. Нов ли предложенный механизм синхронизации? Не знаю, поскольку не специалист в  Python. Надеюсь такие найдутся и ответят на этот вопрос.

Покажу, как подобные проблемы решаю я. Причем совсем не прибегая ни к многопоточности, ни к всему тому, что нынче на волне успеха в так называемом параллельном программировании. И, как сказал автор статьи, "не спешите закрывать вкладку", а посмотрите, что будет дальше. А вдруг вам понравится?

Но для начала...

Краткая история вопроса

Использование переменной-счетчика в качестве общего ресурса - отнюдь не новость. Это элементарный и естественный подход к демонстрации проблем множества параллельных процессов. Насколько я припоминаю, впервые с подобным примером в серьезной литературе я столкнулся в книге [2].Предлагаемые там решения не вызвали восторга, а потому были задвинуты. И, кстати, об этом я не испытываю сожаления.

Создались условия, чтобы подвести некий итог. Дело в том, что автоматы в SimInTech  могут быть инерционными. И это определенно знаменательный факт. Более того, он даже радует своей неожиданностью, опровергая то фактическое неверие, которое к среде было до этого. Но давайте подробнее о том, как это все таки случилось...

Программисты, как правило, кушают то блюдо, которое им подают. Будь это язык программирования, библиотека, фреймворк или IDE. Однако, это еще полбеды. Удивляет нежелание выбирать. Хотя это тоже можно объяснить. Выбор‑то, может, и есть, сколько новых языков появилось за последнее время, но только разницы между ними особой нет. В результате, попробовав раз, попробовав два, мы устаем и останавливаемся на чем‑то одном, т. е. пресыщаемся...

Конечные автоматы и соответственно автоматное программирование (АП) интересны в первую очередь параллелизмом и эффективностью его реализации. Причем параллелизм у КА присутствует уже на уровне компонентного КА, но несомненно важнее параллелизм сетей автоматов. На примере простого алгоритма НОД было показано, как можно легко превратить любой алгоритм в процесс, а затем из них создать более сложную схему. «Сетевая конструкция» позволяет эффективно представлять параллельные процессы и создает понятную, простую и теоретически обоснованную теорию параллельных вычислений (см. подробнее [3]).

Модель отдельного КА определяет точки и механизмы взаимодействия (здесь вспоминаем про состояния) между параллельными процессами. Состояния автомата фиксируют моменты программного и/или аппаратного прерывания/приостановки/взаимодействия процессов (см. автоматный код НОД в статье). И не важно идет ли речь идет об имитации параллелизма в рамках одного потока или это будет множество потоков или даже ядер, т. е. того, что в иной подаче звучит как in parallel и concurrently. И здесь уже надо говорить об едином времени подобно единому времени реальных процессов. Соответственно, уточняя при этом, что на формальном уровне речь идет о сетевой автоматной модели с единым дискретным временем. При этом допускается, что разные сети вправе иметь индивидуальное дискретное время.

Дискретное время — важнейший элемент автоматной модели. Оно, как и состояния, зашито в определении модели. И уже только состояния и дискретное время выделяют автоматы на фоне других моделей. Дискретное время играет важнейшую роль в формировании качественно иной, например, по отношению к той же многопоточности или многоядерности, модели и теории параллельных вычислений. Важно также понимать, что любые асинхронные сети такой теории не имеют. Можно даже утверждать, что теория параллелизма на базе КА не была бы возможна без дискретного времени и, конечно, состояний. И актуальны они именно в своей «связке».

На рис. 1 приведена блок-схема алгоритма нахождения наибольшего общего делителя двух натуральных чисел из книги Н. Вирта[1]. С таких алгоритмов, да и с подобных книг,  начинается или должно начинаться знакомство с программированием. И, кстати, книга Н.Вирта была одной из первых, с которой в свое время познакомился и я. Так что здесь присутствует и некий личный мотив.

Поводом для написания статьи послужило не очень приятное для меня событие: модератор Хабра убрал теги – «С++» и «Параллельное программирование» из моей крайней статьи [1]. Этому предшествовало сообщение пользователя, который по его словам не заметил в статье ни С++, ни параллелизма и поспешил об этом известить весь свет. На самом деле он, скорее всего, просмотрел статью по диагонали и попросту "не врубился". Другим объяснить сей казус сложно. Я объяснил причины его заблуждения, но это не было принято во внимание. В ответ – тишина и, более того, пошли у него на поводу.

А до этого, но тоже в контексте рассматриваемой статьи (теперь все это складывается в один пазл), произошло еще одно событие.  Другой пользователь, решивший, видимо, поддержать автора, выразил благодарность, но допустил не очень лестные высказывания в адрес специалистов Бауманки. Не то, чтобы я с ним был во всем согласен, но поскольку на асфальте розы не растут, то в чем-то он был все же прав.

Но дело даже не в содержании постов. Если раньше управлять спорными постами доверялось автору, то теперь модератор решил взять на себя это право. Может, у нас месячник усиленной модерации? Но только в чем причины столь сильного недоверия автору? Ведь, модератор явно не очень вникал в суть проблемы и причины появления подобных постов. Логично было бы предоставить, как и ранее, автору решать вопросы, связанные с содержанием его же статей. Последнее сообщение, хотя и содержало критику, но в целом не нарушало правила сообщества. Хотя, обобщать на всю Бауманку, конечно, не стоило бы.

В контексте автоматного программирования ВКПа опять вспомним про SimInTech. Представляется удобным и наглядным создать аналог проекта из в SimInTech, который основан на базе элементов ее библиотеки «Конечные автоматы». Так мы осваиваем проектирование в рамках данных сред и заодно проведем сравнение технологий автоматного программирования. Ну, а за основу для достижения поставленных целей возьмем проект «Нагреватель» из SimInTech.  

Выбранный проект хорош тем, что описан детально в статье, позиционируемой как введение в автоматное проектирование в SimInTech. По этому пути пойдем и мы. Наш вариант ее решения в виде двух конечных автоматов приведен на рис. 1. По форме это графическая форма обычных классических конечных автоматов, к входным и выходным канала которых привязаны соответствующие предикаты и действия. В целом же это сеть автоматов, решающая поставленную задачу.

Графы на рис. 1 представляют собой модель автоматной программы в ВКПа. И уже на уровне модели видны основные отличия. Кратко или, так сказать, в первом приближении они сводятся к следующему. На уровне отдельного процесса (автомата) мы сразу разделяем программу на части. Это операторы, названные предикатами и действиями, и управление программы – собственно модель конечного автомата (КА). А на уровне самой программы в общем случае это сеть из автоматов. В соответствии с данным ранее определением все это вместе и составляет автоматную программу.

Продолжим. Наша текущая цель - на примере  аттракторов достичь равенства результатов в SimInTech  и ВКПа.  Делать мы это будем приведением моделей к наиболее универсальной базе - используя языки программирования (ЯП). В ВКПа уже есть реализация на С++. Осталось создать ее в SimInTech. В таком виде они будут соответствовать друг другу. А в идеале, если языки одинаковые, даже просто совпасть. Все это должно способствовать равенству результатов. И на этом пути, кроме освоения внутреннего языка программирования SimInTech,   особых препятствий не предвидится.

Блоки на внутреннем ЯП в SimInTech создаются на базе блока PL  - блок библиотеки Динамические. Напомним реализацию модели аттрактора Лоренца на стандартных библиотечных блоках. Она приведена на рис. 1. Далее мы ее будем называть исходной схемой. Часть ее вместе с соответствующим кодом на языке программирования SimInTech (LangBlock22) представлена на рис. 2.

Я уже не знаю кому и чему верить. Собрался было подводить итоги по обсуждению аттрактора Лоренца, но что-то меня заставило "поиграть" еще с одним - мотором Рикитаке [1]. И, честное слово, какого-либо подвоха я, ну, никак  не ожидал. Просто потому, что по виду графиков он был, пожалуй, наиболее стабильным и характерным по внешнему виду во всех программных пакетах - MATLAB, SimInTech и ВКПа (cм. также предыдущую статью [2]).

            На структурном уровне рассматриваемые аттракторы можно представить в виде трех блоков ("черных ящиков"), отличающихся лишь видом связей. Структурная модель аттрактора Рикитаке представлена на рис. 1а, а на рис. 1б для сравнения приведена схема аттрактора Лоренца.