鸿蒙应用框架开发【N-Body模拟程序】

news2024/11/25 2:30:50

N-Body模拟程序

介绍

在本示例中,使用ArkTS编程语言开发了业界编程语言基准测试项目[Benchmarks Game]中的[N体问题模拟程序],实现类木星体轨道计算。

本示例用到了@ohos.taskpool和@ohos.worker 接口。示例中的程序可以用于AOT(Ahead Of Time)等性能测试。

效果预览

1

使用说明

1.点击按钮Calculate By TaskPool,会从任务池创建一个任务,进行N-Body计算。

2.点击按钮Calculate By Worker,会创建一个Worker,进行N-Body计算。

工程目录

├──entry/src/main/ets/
│  ├──entryability
│  │  └──EntryAbility.ets                 // 封装整个模块启用
│  ├──model
│  │  ├──CalculateUtil.ets                // worker和taskpool都在这里调用            
│  │  └──NBody_ETS_6.ts                   // 天体轨道计算
│  ├──pages
│  │  └──Index.ets                        // 首页
│  ├──utils
│  │  ├──Constants.ts                     // 封装只读常量
│  │  └──Logger.ts                        // 封装整个日志
│  └──worker
│     └──CalculateWorker.ts               // worker线程
└──entry/src/main/resources               // 应用静态资源目录        
                                            

相关概念

AOT(Ahead Of Time),即预先编译,在应用程序运行前,将代码预先编译成高性能机器代码,避免在运行时的编译性能消耗和内存消耗,让程序在首次运行就能通过执行高性能机器码获得性能收益。

具体实现

  • 使用TaskPool开启子线程运行,计算500万次时间推移天体运行轨道,源码参考[CalculateUtil.ets]
/*
 * Copyright (c) 2023 Huawei Device Co., Ltd.
 * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
 * you may not use this file except in compliance with the License.
 * You may obtain a copy of the License at
 *
 *     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
 *
 * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
 * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
 * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
 * See the License for the specific language governing permissions and
 * limitations under the License.
 */

import { taskpool, worker, MessageEvents, util } from '@kit.ArkTS';
import { BusinessError } from '@kit.BasicServicesKit';
import { offsetMomentum, energy, advance } from './NBody_ETS_6';
import Logger from '../utils/Logger';

const TAG: string = 'CalculateUtil';
let calculateResult: string = "Total time costed = %s ms."

class WorkerMessage {
  timeSteps: number;

  constructor(timeSteps: number) {
    this.timeSteps = timeSteps;
  }
}

/**
 * 运行天体轨道计算程序
 * @param totalTimeSteps 时间推移量
 * @returns 计算时间
 */
@Concurrent
export function computeTask(totalTimeSteps: number): number {
  const tagInTask: string = 'computeTask';
  const timeStep: number = 0.01; // 单位:hour
  const fractionDigits: number = 9; // 机械能数值小数位
  let start: number = new Date().getTime();

  // 建立孤立系统的动量守恒
  offsetMomentum();
  Logger.info(tagInTask, energy().toFixed(fractionDigits));

  // 更新天体在按指定的时间变化后的位置信息
  for (let i: number = 0; i < totalTimeSteps; i++) {
    advance(timeStep);
  }

  // 判断系统计算前后机械能守恒
  Logger.info(tagInTask, energy().toFixed(fractionDigits));
  let end: number = new Date().getTime();
  return end - start;
}

/**
 * 使用TaskPool开启子线程,执行轨道计算任务
 * @param totalTimeSteps 时间推移量
 */
export function computeNBodyByTaskPool(totalTimeSteps: number): void {
  Logger.info(TAG, "computeNBodyByTaskPool: start executing");
  let task: taskpool.Task = new taskpool.Task(computeTask, totalTimeSteps);
  try {
    Logger.info(TAG, 'computeNBodyByTaskPool: start calculating...');

    // 向taskpool线程池派发子线程任务
    taskpool.execute(task, taskpool.Priority.HIGH).then((res) => {
      Logger.info(TAG, 'computeNBodyByTaskPool: executed successfully, total time costed = ' + res + ' ms.');
      AppStorage.set<String>('timeCost', util.format(calculateResult, res.toString()))
    })
  } catch (err) {
    Logger.error(TAG, "computeNBodyByTaskPool: execute failed, " + (err as BusinessError).toString());
  }
  Logger.info(TAG, "computeNBodyByTaskPool: finish executing");
}

/**
 * 使用Worker开启子线程,执行轨道计算任务
 * @param totalTimeSteps 时间推移量
 */
export function computeNBodyByWorker(totalTimeSteps: number): void {
  Logger.info(TAG, "computeNBodyByWorker: start executing");
  let workerInstance = new worker.ThreadWorker("entry/ets/workers/CalculateWorker.ts");

  // 设置如何处理,来自worker线程的消息
  workerInstance.onmessage = (e: MessageEvents): void => {
    let data: Record<string, Object> = e.data;
    Logger.info(TAG, 'computeNBodyByWorker: executed successfully, total time costed = ' + data.result + ' ms.');
    AppStorage.set<String>('timeCost', util.format(calculateResult, data.result));
  }

  // 设置由主线程向worker线程发送什么消息
  workerInstance.postMessage(new WorkerMessage(totalTimeSteps));
}
  • 通过调用computeNBodyByTaskPool()创建一个task任务,并向taskpool线程池派发子线程任务。

  • 等待子线程执行任务computeTask(),计算完成后再把结果返回主线程。

  • 使用Worker开启子线程运行,计算5000万次时间推计算移天体运行轨道,源码参考[CalculateUtil.ets]

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 * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
 * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
 * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
 * See the License for the specific language governing permissions and
 * limitations under the License.
 */

import { taskpool, worker, MessageEvents, util } from '@kit.ArkTS';
import { BusinessError } from '@kit.BasicServicesKit';
import { offsetMomentum, energy, advance } from './NBody_ETS_6';
import Logger from '../utils/Logger';

const TAG: string = 'CalculateUtil';
let calculateResult: string = "Total time costed = %s ms."

class WorkerMessage {
  timeSteps: number;

  constructor(timeSteps: number) {
    this.timeSteps = timeSteps;
  }
}

/**
 * 运行天体轨道计算程序
 * @param totalTimeSteps 时间推移量
 * @returns 计算时间
 */
@Concurrent
export function computeTask(totalTimeSteps: number): number {
  const tagInTask: string = 'computeTask';
  const timeStep: number = 0.01; // 单位:hour
  const fractionDigits: number = 9; // 机械能数值小数位
  let start: number = new Date().getTime();

  // 建立孤立系统的动量守恒
  offsetMomentum();
  Logger.info(tagInTask, energy().toFixed(fractionDigits));

  // 更新天体在按指定的时间变化后的位置信息
  for (let i: number = 0; i < totalTimeSteps; i++) {
    advance(timeStep);
  }

  // 判断系统计算前后机械能守恒
  Logger.info(tagInTask, energy().toFixed(fractionDigits));
  let end: number = new Date().getTime();
  return end - start;
}

/**
 * 使用TaskPool开启子线程,执行轨道计算任务
 * @param totalTimeSteps 时间推移量
 */
export function computeNBodyByTaskPool(totalTimeSteps: number): void {
  Logger.info(TAG, "computeNBodyByTaskPool: start executing");
  let task: taskpool.Task = new taskpool.Task(computeTask, totalTimeSteps);
  try {
    Logger.info(TAG, 'computeNBodyByTaskPool: start calculating...');

    // 向taskpool线程池派发子线程任务
    taskpool.execute(task, taskpool.Priority.HIGH).then((res) => {
      Logger.info(TAG, 'computeNBodyByTaskPool: executed successfully, total time costed = ' + res + ' ms.');
      AppStorage.set<String>('timeCost', util.format(calculateResult, res.toString()))
    })
  } catch (err) {
    Logger.error(TAG, "computeNBodyByTaskPool: execute failed, " + (err as BusinessError).toString());
  }
  Logger.info(TAG, "computeNBodyByTaskPool: finish executing");
}

/**
 * 使用Worker开启子线程,执行轨道计算任务
 * @param totalTimeSteps 时间推移量
 */
export function computeNBodyByWorker(totalTimeSteps: number): void {
  Logger.info(TAG, "computeNBodyByWorker: start executing");
  let workerInstance = new worker.ThreadWorker("entry/ets/workers/CalculateWorker.ts");

  // 设置如何处理,来自worker线程的消息
  workerInstance.onmessage = (e: MessageEvents): void => {
    let data: Record<string, Object> = e.data;
    Logger.info(TAG, 'computeNBodyByWorker: executed successfully, total time costed = ' + data.result + ' ms.');
    AppStorage.set<String>('timeCost', util.format(calculateResult, data.result));
  }

  // 设置由主线程向worker线程发送什么消息
  workerInstance.postMessage(new WorkerMessage(totalTimeSteps));
}
  • 通过调用computeNBodyByWorker()创建一个worker线程,把要计算的时间推移量发送给worker线程。

  • 等待worker线程调用computeTask()计算完成后再把结果返回主线程。

  • computeTask()完成具体计算任务,源码参考[NBody_ETS_6.ts]

/*
 * Copyright (c) 2023 Huawei Device Co., Ltd.
 * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
 * you may not use this file except in compliance with the License.
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 *     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
 *
 * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
 * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
 * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
 * See the License for the specific language governing permissions and
 * limitations under the License.
 */

import Constants from '../utils/Constants';

/**
 * 天体类
 */
class Body {
  x: number;
  y: number;
  z: number;
  vx: number;
  vy: number;
  vz: number;
  mass: number;

  constructor(x: number, y: number, z: number, vx: number, vy: number, vz: number, mass: number) {
    this.x = x;
    this.y = y;
    this.z = z;
    this.vx = vx;
    this.vy = vy;
    this.vz = vz;
    this.mass = mass;
  }
}

const jupiter: Body = new Body(Constants.JUPITER_X, Constants.JUPITER_Y, Constants.JUPITER_Z, Constants.JUPITER_VX,
                               Constants.JUPITER_VY, Constants.JUPITER_VZ, Constants.JUPITER_MASS);
const saturn: Body = new Body(Constants.SATURN_X, Constants.SATURN_Y, Constants.SATURN_Z, Constants.SATURN_VX,
                              Constants.SATURN_VY, Constants.SATURN_VZ, Constants.SATURN_MASS);
const uranus: Body = new Body(Constants.URANUS_X, Constants.URANUS_Y, Constants.URANUS_Z, Constants.URANUS_VX,
                              Constants.URANUS_VY, Constants.URANUS_VZ, Constants.URANUS_MASS);
const neptune: Body = new Body(Constants.NEPTUNE_X, Constants.NEPTUNE_Y, Constants.NEPTUNE_Z, Constants.NEPTUNE_VX,
                               Constants.NEPTUNE_VY, Constants.NEPTUNE_VZ, Constants.NEPTUNE_MASS);
const sun: Body = new Body(0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, Constants.SOLAR_MASS);

const bodies: Body[] = Array(sun, jupiter, saturn, uranus, neptune);

/**
 * 调整太阳的速度,保证该孤立系统动量守恒
 */
export function offsetMomentum(): void {
  // p为momentum的缩写,表示:动量, 等于质量乘以速度 p=mv
  let px: number = 0;
  let py: number = 0;
  let pz: number = 0;

  // 累加计算整个系统中,各个天体在三维各矢量方向的动量
  for (let i: number = 0; i < bodies.length; i++) {
    const body: Body = bodies[i];
    const mass: number = body.mass;
    px += body.vx * mass;
    py += body.vy * mass;
    pz += body.vz * mass;
  }

  // 太阳预设速度为0,通过动量守恒定律,反推太阳各矢量方向速度
  const body: Body = bodies[0];
  body.vx = -px / Constants.SOLAR_MASS;
  body.vy = -py / Constants.SOLAR_MASS;
  body.vz = -pz / Constants.SOLAR_MASS;
}

/**
 * 更新天体在按指定的时间变化后的位置信息
 * @param dt - delta time 时间变化
 */
export function advance(dt: number): void {
  const size = bodies.length;

  // 两两配对计算各天体瞬时速度
  for (let i = 0; i < size; i++) {
    const iBody = bodies[i];
    let vxi: number = iBody.vx;
    let vyi: number = iBody.vy;
    let vzi: number = iBody.vz;
    for (let j: number = i + 1; j < size; j++) {
      const jBody: Body = bodies[j];

      // 天体间距离差
      const dx: number = iBody.x - jBody.x;
      const dy: number = iBody.y - jBody.y;
      const dz: number = iBody.z - jBody.z;

      const d2: number = dx * dx + dy * dy + dz * dz;
      const mag: number = dt / (d2 * Math.sqrt(d2));

      // 由天体距离计算引力对速度的相互影响
      const jMass: number = jBody.mass;
      vxi -= dx * jMass * mag;
      vyi -= dy * jMass * mag;
      vzi -= dz * jMass * mag;

      const iMass: number = iBody.mass;
      jBody.vx += dx * iMass * mag;
      jBody.vy += dy * iMass * mag;
      jBody.vz += dz * iMass * mag;
    }
    iBody.vx = vxi;
    iBody.vy = vyi;
    iBody.vz = vzi;
  }

  // 更新天体的位置信息
  for (let i: number = 0; i < size; i++) {
    const body: Body = bodies[i];
    body.x += dt * body.vx; // 位置 = 时间 * 速度
    body.y += dt * body.vy;
    body.z += dt * body.vz;
  }
}

/**
 * 在程序开始和结束后调用,通过计算机械能,判断机械能守恒与否,以检查程序的运行正确性
 * @returns 返回系统机械能
 */
export function energy(): number {
  let energy: number = 0.0;
  const size: number = bodies.length;

  // 计算各天体的机械能总和,机械能公式:机械能=动能+势能
  for (let i: number = 0; i < size; i++) {
    const iBody: Body = bodies[i];

    // 对每个天体的动能进行加和,动能公式为:动能=1/2×物体质量×运动速度的平方
    energy += 0.5 * iBody.mass * (iBody.vx * iBody.vx + iBody.vy * iBody.vy + iBody.vz * iBody.vz);

    // 计算当前遍历到的天体和其他天体间的势能,势能公式为:引力势能=-G*物理A质量*物理B质量/距离
    for (let j: number = i + 1; j < size; j++) {
      const jBody: Body = bodies[j];
      const dx: number = iBody.x - jBody.x;
      const dy: number = iBody.y - jBody.y;
      const dz: number = iBody.z - jBody.z;

      const distance: number = Math.sqrt(dx * dx + dy * dy + dz * dz);
      energy -= (iBody.mass * jBody.mass) / distance;
    }
  }
  return energy;
}

  • offsetMomentum() 建立孤立系统的动量守恒。
  • advance() 更新天体在按指定的时间变化后的位置信息。
  • energy() 判断系统计算前后机械能守恒。

以上就是本篇文章所带来的鸿蒙开发中一小部分技术讲解;想要学习完整的鸿蒙全栈技术。可以在结尾找我可全部拿到!
下面是鸿蒙的完整学习路线,展示如下:
1

除此之外,根据这个学习鸿蒙全栈学习路线,也附带一整套完整的学习【文档+视频】,内容包含如下

内容包含了:(ArkTS、ArkUI、Stage模型、多端部署、分布式应用开发、音频、视频、WebGL、OpenHarmony多媒体技术、Napi组件、OpenHarmony内核、鸿蒙南向开发、鸿蒙项目实战)等技术知识点。帮助大家在学习鸿蒙路上快速成长!

鸿蒙【北向应用开发+南向系统层开发】文档

鸿蒙【基础+实战项目】视频

鸿蒙面经

在这里插入图片描述

为了避免大家在学习过程中产生更多的时间成本,对比我把以上内容全部放在了↓↓↓想要的可以自拿喔!谢谢大家观看!

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