Conveyor

Wygląd okna aplikacji: (https://github.com/sneark/Conveyor/assets/99653016/ae5ded7e-b0fd-402e-8ef6-451dce3332db)

1. Temat projektu:

   On the conveyor system moving bricks from the lower end to the upper end, laborers are at work. One crew posiƟons bricks onto the conveyor at the lower end, and a different crew takes them off at the upper end. The bricks come in two varieƟes, weighing either 2 kg or 4 kg, and the maximum weight the conveyor can handle is 20 kg.

2. Techniczne rozwiązania

   Cały projekt napisany został w języku Python. Stworzona jest wizualizacja graficzna w aplikacji okienkowej do której użyta została biblioteka Tkinter oraz pillow. Do realizacji wątków została użyta biblioteka threading.

3. Założenia projektowe

   Zadany problem w temacie projektu można rozumieć na parę sposobów. W tym projekcie jako wątki przyjęte zostały cegły, które mają odpowiednie wagi różne od siebie, zasobem o jakie rywalizują poszczególne wątki jest przenośnik, który ma ograniczenie wagowe.

4. Funkcjonalność

   Projekt został stworzony jako aplikacja okienkowa z graficznym interfejsem. Możliwa jest zmiana wartości wagowych obu cegieł oraz samo ograniczenie wagowe dotyczące przenośnika poprzez wpisanie wartości w pola i zastosowania zmian przyciskiem. Jako domyślne wartości ustawione są wagi ujęte w temacie projektu. Symulacja jest rozpoczęta po naciśnięciu odpowiedniego przycisku, możliwe jest również zakończenie i zatrzymanie symulacji. W czasie rzeczywistym wyświetlana jest sumaryczna waga cegieł, które znajdują się na przenośniku. Pokazany jest także stan kolejki cegieł oczekujących na dostęp do przenośnika.

5. Konstrukcja programu

    Stworzona została klasa Conveyor która reprezentuje zasób, o który rywalizują wątki. W klasie znajdują się zmienne przechowujące wszystkie wartości wagowe oraz obiekty służące do synchronizacji wątków.

    Funkcja add_brick to funkcja sterująca wątkami. W niej przebiega cały proces weryfikacji dostępu oraz synchronizacji z innymi wątkami.

    Funkcja remove_brick odpowiedzialna jest za aktualizację wartości wagowych oraz usuwanie cegły z wizualizacji.

    Funkcja draw_brick oraz move_brick również służą do graficznej reprezentacji cegły. Funkcja draw tworzy obiekt cegły natomiast move porusza cegłę po przenośniku.

    Funkcję update_..._label aktualizują wartości wagi i kolejki w wizualizacji.

    Funkcja simulate_conveyor to funkcja, w której znajduję się pętla tworząca wątki (cegły) znajdują się w niej także obsługi zdarzeń. Pętla jest także odpowiedzialna za odświeżanie canvasu.

    Pozostałe funkcję to obsługa przycisków i wywołanie odpowiednich funkcji do działania programu.

6. Synchronizacja pomiędzy wątkami

   Synchronizacja pomiędzy wątkami została zrealizowana przy użyciu Semafora oraz Zdarzeń. Semafor jest odpowiedzialny za ustalenie limitu ilości wątków które jednocześnie mają dostęp do zasobu. W tym projekcie ilość cegieł, które w tym samym momencie mogą znajdować się na przenośniku. Wartość semafora jest ustalana jako:

   Maksymalna dozwolona waga // waga lżejszej cegły

   Zastosowane zdarzenia służą do informacji wątków o zmianach w kolejce wątków które nie uzyskały dostępu do zasobu przy ich stworzeniu. Wątki te nie dostając dostępu do zasobu trafiają do kolejki, są one obsługiwane przez zdarzenie isFull na które oczekują, w momencie wystąpienia zdarzenia wywoływana jest rekurencyjnie funkcja przydzielająca zasób. W takim przypadku wątek jest ponownie poddawany weryfikacji przez limit wagowy i semafor które chronią zasób, do którego wątek próbuje uzyskać dostęp.

7. Działanie programu

    Symulacja rozpoczyna się po naciśnięciu przycisku, wywoływana jest wtedy funkcja, która tworzy wątek odpowiedzialny za symulację.

    Główna pętla tworzy nowe cegły, które w programie są wątkami. Mają one losowo przydzielane wagi z wartościami podanymi przez użytkownika. Nowe wątki powstają co równą sekundę, jeśli nie zostaną wstrzymane przez zdarzenia.

    Po stworzeniu wątku trafia on do funkcji add_brick która jest odpowiedzialna za przydział wątku do zasobu.

    Sprawdzane jest czy waga cegły nie przekracza podanego limitu, jeśli nie przekracza trafia ona do semafora. Aktualizowana jest waga, cegła tworzona jest na wizualizacji a następnie usuwana, następnie wątek kończy swoją pracę.

    W przypadku gdy cegła nie spełnia wymagań wagowych jest ona przerzucona do drugiej części warunku, gdzie wątek jest wstrzymany i oczekuje na zdarzenie isFull, które czeka na informację od innego wątku, że odblokowało się miejsce na przenośniku, jest ono zgłaszane w momencie usuwania cegły. Po otrzymaniu informacji rekurencyjnie wywoływana jest funkcja add_brick i dany wątek ponownie jest weryfikowany przez limit wagowy i semafor.

    Jeśli w kolejce znajduje się co najmniej 5 wątków, aktywowane jest zdarzenie, które obsługiwane jest w wątku symulacji. Wstrzymuje ono generowanie nowych wątków przez 3 sekund tak aby wstrzymane w kolejce wątki uzyskały priorytetowy dostęp do zasobu. Zastosowana jest także instrukcja warunkowa która sprawdza czy dany wątek jest pierwszy w kolejce, zapobiega to zagłodzeniu wątków znajdujących się w kolejce.

    W funkcji add_brick aktualizowany jest także licznik kolejki. W momencie, w którym w kolejce znajduje się 10 wątków nowe wątki nie są tworzone.

    Cegła, która uzyska dostęp do przenośnika jest tworzona na wizualizacji funkcjami draw_brick oraz move_brick. Funkcja draw_brick w zależności od wagi danej cegły przypisuje jej odpowiednią teksturę a następnie wywołuje funkcję move_brick. Dzięki tej funkcji cegła porusza się na ekranie, cegła, która uzyskała dostęp do zasobu znajduje się na nim dokładanie 12,4 sekundy po czym jest zdejmowana z przenośnika.

    Symulacja w dowolnym momencie może być zatrzymana za pomocą przycisku, zatrzymuje on działanie programu na 7 sekund. Program i symulację kończy przycisk „Zakończ symulacje” który zamyka okno programu i za pomocą .join() zakańcza wątek symulacji.