Spracovanie dlhotrvajúcej úlohy v Tkinteri

Ján Bodnár 10. 2. 2016

V článku si ukážeme, ako vytvoriť časovo náročnú úlohu v Tkinteri pomocou modulu multiprocessing. Našou úlohou bude výpočet Pi. Paralelné programovanie je náročné a v jednoduchom príklade narazíme na technické limity.

Tkinter

Tkinter je grafická knižnica pre tvorbu desktopových aplikácií. Je súčasťou štandardnej distribúcie jazyka Python. Ide o multiplatformovú knižnicu, ktorá beží na Linuxe, systéme Windows a OS X. Z technického hľadiska je Tkinter obálkou nad grapickou knižnicou Tk, ktorá bola vytvorená pre jazyk Tcl. Viac informácií o Tkinter si môžete naštudovať na oficiálnej stránke dokumentácie k Tk, tutoriály na ZetCode, alebo na tkinter.programujte.com.

Podobne ako väčšina knižníc pre tvorbu grafického užívateľského rozhrania, Tkinter využíva jednovláknový modul udalostí. Hlavná slučka udalostí a všetky metódy reagujúce na udalosti sú vykonávané v tomto jednom vlákne. Preto musia byť metódy udalostí rýchle. Inak by si užívatelia nášho programu mysleli, že program nereaguje dostatočne pružne alebo že mrzne. Dlhotrvajúce úlohy musia preto byť vykonávané mimo hlavné vlákno aplikácie.

My si to budeme demonštrovať na príklade výpočtu čísla Pi. Čím viac číslic bude mať Pi, tým dlhšie bude trvať výpočet. Ak by sme nedelegovali výpočet do zvláštneho procesu, náš program by sa počas výpočtu prestal prekresľovať.

Modul multiprocessing

V našom programe využijeme modul multiprocessing, pomocou ktorého vytvoríme časovo náročnú úlohu v separátnom procese. Tento modul poskytuje aplikačné programové rozhranie na tvorbu procesov podobnú modulu threading. Modul multiprocessing funguje rozdielne na Linuxe a vo Windows. Na Linuxe sa používa systémové volanie fork(), kým na systéme Windows je použitý modul pickle. To má dôležité dôsledky pre náš program (za predpokladu, že budeme chcieť, aby fungoval pod oboma systémami.) Náš program preto napíšeme pre oba systémy zvlášť.

Pri tvorbe programu narazíme na technické obmedzenia. Program využíva objekt Queue pre výmenu hodnôt medzi procesmi. Tento objekt má však limit pre veľkosť hodnoty, ktorú môže prijať. Veľkosť tejto hodnoty súvisí s interným fungovaním operačného systému; presnejšie ide o dátovod. Ak sa prekročí veľkosť tejto hodnoty, dôjde k uviaznutiu (deadlock). Vlastným testovaním dospel autor k nasledovným hodnotám: na systéme Windows 7 sa podarilo vypočítať Pi s 8156 číslicami. Na Linuxe leží maximum niekde medzi 60 000 až 70 000 číslicami.

Výpočet Pi na Linuxe

Nasledujúci program vypočíta Pi na Linuxe. Pri výpočte čísla Pi je využitý dátový typ Decimal, pretože implicitný dátový typ float nie je dostatočne presný pre naše výpočty.

calculate_pi.py

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

"""
This script produces a long-running task of calculating
a large Pi number, while keeping the GUI responsive.

Author: Jan Bodnar
Last modified: January 2016
Website: www.zetcode.com
"""

from tkinter import (Tk, BOTH, Text, E, W, S, N, END,
    NORMAL, DISABLED, StringVar)
from tkinter.ttk import Frame, Label, Button, Progressbar, Entry
from tkinter import scrolledtext

from multiprocessing import Queue, Process
import queue
from decimal import Decimal, getcontext

DELAY1 = 80
DELAY2 = 20

class Example(Frame):

    def __init__(self, parent, q):
        Frame.__init__(self, parent)

        self.queue = q
        self.parent = parent
        self.initUI()


    def initUI(self):

        self.parent.title("Pi computation")
        self.pack(fill=BOTH, expand=True)

        self.grid_columnconfigure(4, weight=1)
        self.grid_rowconfigure(3, weight=1)

        lbl1 = Label(self, text="Digits:")
        lbl1.grid(row=0, column=0, sticky=E, padx=10, pady=10)

        self.ent1 = Entry(self, width=10)
        self.ent1.insert(END, "4000")
        self.ent1.grid(row=0, column=1, sticky=W)

        lbl2 = Label(self, text="Accuracy:")
        lbl2.grid(row=0, column=2, sticky=E, padx=10, pady=10)

        self.ent2 = Entry(self, width=10)
        self.ent2.insert(END, "100")
        self.ent2.grid(row=0, column=3, sticky=W)

        self.startBtn = Button(self, text="Start",
            command=self.onStart)
        self.startBtn.grid(row=1, column=0, padx=10, pady=5, sticky=W)

        self.pbar = Progressbar(self, mode='indeterminate')
        self.pbar.grid(row=1, column=1, columnspan=3, sticky=W+E)

        self.txt = scrolledtext.ScrolledText(self)
        self.txt.grid(row=2, column=0, rowspan=4, padx=10, pady=5,
            columnspan=5, sticky=E+W+S+N)


    def onStart(self):

        self.startBtn.config(state=DISABLED)
        self.txt.delete("1.0", END)

        self.digits = int(self.ent1.get())
        self.accuracy = int(self.ent2.get())

        self.p1 = Process(target=self.generatePi, args=(self.queue,))
        self.p1.start()
        self.pbar.start(DELAY2)
        self.after(DELAY1, self.onGetValue)


    def onGetValue(self):

        if (self.p1.is_alive()):

            self.after(DELAY1, self.onGetValue)
            return
        else:

            try:
                self.txt.insert('end', self.queue.get(0))
                self.txt.insert('end', "\n")
                self.pbar.stop()
                self.startBtn.config(state=NORMAL)

            except queue.Empty:
                print("queue is empty")


    def generatePi(self, queue):

        getcontext().prec = self.digits

        pi = Decimal(0)
        k = 0
        n = self.accuracy

        while k < n:
            pi += (Decimal(1)/(16**k))*((Decimal(4)/(8*k+1)) - \
                (Decimal(2)/(8*k+4)) - (Decimal(1)/(8*k+5))- \
                (Decimal(1)/(8*k+6)))
            k += 1
            print (self.p1.is_alive())

        queue.put(pi)
        print("end")


def main():

    q = Queue()

    root = Tk()
    root.geometry("400x350+300+300")
    app = Example(root, q)
    root.mainloop()


if __name__ == '__main__':
    main()

Program využíva nasledovné komponenty: Label, Button, Progressbar a Entry. O správne rozloženie komponent v hlavnom ráme aplikácie sa stará grid manažér.

lbl1 = Label(self, text="Digits:")
lbl1.grid(row=0, column=0, sticky=E, padx=10, pady=10)

Grid manažér umiestňuje komponenty v mriežke, priestor delí na stĺpce a rady. V tomto prípade je komponenta Label umiestnená v ľavom hornom rohu. Parameter sticky spôsobí, že je komponenta v rámci svojej bunky zarovnaná vpravo. Pomocou parametrov padx a pady pridáme medzery okolo komponenty.

self.pbar = Progressbar(self, mode='indeterminate')
self.pbar.grid(row=1, column=1, columnspan=3, sticky=W+E)

Tu vytvárame komponentu Progressbar, ktorá je aktvína počas nášho výpočtu. Takto dávame užívateľovi najavo, že naša aplikácia beží. Progressbar je v móde indeterminate, ktorý použijeme, keď nedokážeme dopredu určiť dĺžku výpočtu.

self.txt = scrolledtext.ScrolledText(self)
self.txt.grid(row=2, column=0, rowspan=4, padx=10, pady=5,
    columnspan=5, sticky=E+W+S+N)

Päťdesiattisíc číslic je riadne veľké číslo, preto zobrazíme výpočet (ak nám vyjde) v textovej komponente. Použijeme ScrolledText, ktorá má už zabudované rolovanie.

def onStart(self):

    self.startBtn.config(state=DISABLED)
    self.txt.delete("1.0", END)
...

Na začiatku výpočtu deaktivujeme tlačítko Start a zmažeme obsah komponenty ScrolledText.

self.digits = int(self.ent1.get())
self.accuracy = int(self.ent2.get())

Vo výpočte čísla Pi máme dve dôležité premenné. Hodnota digits určuje veľkosť počítaného čísla Pi. Hodnota accuracy určuje presnosť výpočtu.

self.p1 = Process(target=self.generatePi, args=(self.queue,))
self.p1.start()

Vytvárame nový Process. Voľba target je metóda generatePi(), ktorá vykonáva časovo náročný výpočet. Druhým argumentom sa predáva metóde fronta, ktorá je určená na výmenu hodnôt medzi procesmi.

self.after(DELAY1, self.onGetValue)

Pomocou metódy after() štartujeme časovač. Časovač periodicky zisťuje, či je náš výpočet už ukončený.

def onGetValue(self):

    if (self.p1.is_alive()):

        self.after(DELAY1, self.onGetValue)
        return

Pomocou metódy is_alive() zisťujeme, či náš proces ešte stále beží. Keďže Tkinter využíva jednorázový časovač, je potrebné vytvoriť pri tejto príležitosti nový časovač.

else:

    try:
        self.txt.insert('end', self.queue.get(0))
        self.txt.insert('end', "\n")
        self.pbar.stop()
        self.startBtn.config(state=NORMAL)

    except queue.Empty:
        print("queue is empty")

Keď sa naša úloha skončila, získame vypočítané číslo z fronty a vložíme ho do komponenty ScrolledText. Zároveň ukončíme činnosť komponenty Progressbar a aktivujeme tlačítko Start. Tak môžeme potom začať nový výpočet.

def generatePi(self, queue):

    getcontext().prec = self.digits

    pi = Decimal(0)
    k = 0
    n = self.accuracy

    while k < n:
        pi += (Decimal(1)/(16**k))*((Decimal(4)/(8*k+1)) - \
            (Decimal(2)/(8*k+4)) - (Decimal(1)/(8*k+5))- \
            (Decimal(1)/(8*k+6)))
        k += 1

    queue.put(pi)

Metóda generatePi() obsahuje výpočet čísla Pi. Existuje viacero vzorcov na výpočet; tu sme použili Bailey–Borwein–Plouffov vzorec. Na konci výpočtu je hodnota uložená do fronty, z ktorej ju môžeme v našom hlavnom udalostnom vlákne získať. Je dôležité mať na pamäti, že sa nesmieme vo vnútri tejto metódy dotýkať ničoho z hlavného udalostného vlákna. Všimnite si použite dátového typu Decimal pri výpočte.

Výpočet Pi na Linuxe

Na obrázku vidíme výsledok výpočtu pre 63000 číslic.

Výpočet Pi na systéme Windows

Nasledujúci program počíta Pi na systéme Windows. Keďže na tomto systéme využíva multiprocessing modul pickle, platia pre nás obmedzenia modulu pickle. Funkcia generatePi() musí byť funkciou najvyššej úrovne v rámci modulu (nesmie byť metódou v rámci objektu) a objekt Queue je potrebné deklarovať ako globálny.

calculate_pi_windows.py

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

"""
This script produces a long-running task of calculating
a large Pi number, while keeping the GUI responsive.
This is an example written for Windows.

Author: Jan Bodnar
Last modified: January 2016
Website: www.zetcode.com
"""

from tkinter import (Tk, BOTH, Text, E, W, S, N, END,
    NORMAL, DISABLED, StringVar)
from tkinter.ttk import Frame, Label, Button, Progressbar, Entry
from tkinter import scrolledtext

from multiprocessing import Process, Manager, Queue
from decimal import Decimal, getcontext


DELAY1 = 80
DELAY2 = 20

# Queue must be global
q = Queue()

class Example(Frame):

    def __init__(self, parent):
        Frame.__init__(self, parent, name="frame")

        self.parent = parent
        self.initUI()


    def initUI(self):

        self.parent.title("Pi computation")
        self.pack(fill=BOTH, expand=True)

        self.grid_columnconfigure(4, weight=1)
        self.grid_rowconfigure(3, weight=1)

        lbl1 = Label(self, text="Digits:")
        lbl1.grid(row=0, column=0, sticky=E, padx=10, pady=10)

        self.ent1 = Entry(self, width=10)
        self.ent1.insert(END, "4000")
        self.ent1.grid(row=0, column=1, sticky=W)

        lbl2 = Label(self, text="Accuracy:")
        lbl2.grid(row=0, column=2, sticky=E, padx=10, pady=10)

        self.ent2 = Entry(self, width=10)
        self.ent2.insert(END, "100")
        self.ent2.grid(row=0, column=3, sticky=W)

        self.startBtn = Button(self, text="Start",
            command=self.onStart)
        self.startBtn.grid(row=1, column=0, padx=10, pady=5, sticky=W)

        self.pbar = Progressbar(self, mode='indeterminate')
        self.pbar.grid(row=1, column=1, columnspan=3, sticky=W+E)

        self.txt = scrolledtext.ScrolledText(self)
        self.txt.grid(row=2, column=0, rowspan=4, padx=10, pady=5,
            columnspan=5, sticky=E+W+S+N)


    def onStart(self):

        self.startBtn.config(state=DISABLED)
        self.txt.delete("1.0", END)

        digits = int(self.ent1.get())
        accuracy = int(self.ent2.get())

        self.p1 = Process(target=generatePi, args=(q, digits, accuracy))
        self.p1.start()
        self.pbar.start(DELAY2)
        self.after(DELAY1, self.onGetValue)


    def onGetValue(self):

        if (self.p1.is_alive()):

            self.after(DELAY1, self.onGetValue)
            return
        else:

           try:

                self.txt.insert('end', q.get(0))
                self.txt.insert('end', "\n")
                self.pbar.stop()
                self.startBtn.config(state=NORMAL)

           except:
                print("queue is empty")

# Generate function must be a top-level module funtion
def generatePi(q, digs, acc):

    getcontext().prec = digs

    pi = Decimal(0)
    k = 0
    n = acc

    while k < n:
        pi += (Decimal(1)/(16**k))*((Decimal(4)/(8*k+1)) - \
            (Decimal(2)/(8*k+4)) - (Decimal(1)/(8*k+5))- \
            (Decimal(1)/(8*k+6)))
        k += 1

    print(q.put(pi))


def main():

    root = Tk()
    root.geometry("400x350+300+300")
    app = Example(root)
    root.mainloop()


if __name__ == '__main__':
    main()

Tento kód bol prepísaný pre platformu Windows.

Výpočet Pi na systéme Windows

Na obrázku vidíme číslo Pi, ktoré má 8156 číslic. Ak by sme chceli vypočítať väčšie Pi, nastane uviaznutie kvôli obmedzeniam objektuQueue a dátovodu operačného systému.

Zdroje

V tomto článku sme si ukázali, ako vykonávať časovo náročné úlohy v knižnici Tkinter a jazyku Python 3. Využili sme modul multiprocessing. Počas tvorby programu sme narazili na nízkoúrovňové technické obmedzenia. Článok vyšiel v angličtine na autorovej stránke: Long-running task in Tkinter.

Ohodnoťte jako ve škole:

Průměrná známka 1,91

Našli jste v článku chybu?
Zasílat nově přidané názory e-mailem
120na80.cz: Odřenina. Jakou použít dezinfekci?

Odřenina. Jakou použít dezinfekci?

Podnikatel.cz: Co všechno ví Heureka o e-shopech?

Co všechno ví Heureka o e-shopech?

Měšec.cz: Udali ho na nelegální software a přišla Policie

Udali ho na nelegální software a přišla Policie

Vitalia.cz: Utrhli jste kusadla? Nevadí

Utrhli jste kusadla? Nevadí

Vitalia.cz: Falšovaný salám v Kauflandu

Falšovaný salám v Kauflandu

Podnikatel.cz: Když už je sexy, tak ať taky funguje

Když už je sexy, tak ať taky funguje

Podnikatel.cz: Alza radí e-shopům, jak opustit Heureku

Alza radí e-shopům, jak opustit Heureku

120na80.cz: 10 dezinfekcí: Vede „starý dobrý“ peroxid

10 dezinfekcí: Vede „starý dobrý“ peroxid

Podnikatel.cz: Vyzkoušejte k propagaci výrobku Microsites

Vyzkoušejte k propagaci výrobku Microsites

Vitalia.cz: Taky ji kupujete? Je šizená

Taky ji kupujete? Je šizená

Vitalia.cz: Před, nebo po snídani? Kdy je lepší čistit si zuby

Před, nebo po snídani? Kdy je lepší čistit si zuby

120na80.cz: Poznáte, který z léků je pravý?

Poznáte, který z léků je pravý?

Vitalia.cz: 7 nemocí očí, které musíte léčit včas

7 nemocí očí, které musíte léčit včas

Podnikatel.cz: Platit daně kartou? Nehrozí, je to drahé

Platit daně kartou? Nehrozí, je to drahé

120na80.cz: Objevila se první pylová zrna trav

Objevila se první pylová zrna trav

Vitalia.cz: Vydával se za český, prozradila ho DNA

Vydával se za český, prozradila ho DNA

DigiZone.cz: Na podzim přijde sportovní Viasat Ultra HD

Na podzim přijde sportovní Viasat Ultra HD

Lupa.cz: Je IoT bezpečnostní noční můra?

Je IoT bezpečnostní noční můra?

Vitalia.cz: Tetanus v USA – i po odřeninách

Tetanus v USA – i po odřeninách

120na80.cz: Jak si udržet zdravou vaginu

Jak si udržet zdravou vaginu