一、實驗要求

利用MOM消息隊列技術(shù)實現(xiàn)一個分布式隨機信號分析系統(tǒng)，具體要求：

1.隨機信號產(chǎn)生器微服務(wù)每隔100毫秒左右就產(chǎn)生一個正態(tài)分布的隨機數(shù)字，并作為一個消息發(fā)布。

2.一個隨機信號統(tǒng)計分析微服務(wù)，對信號進行如下分析：

??(1) 計算過去N個隨機信號的均值和方差（N為常量，可設(shè)置）；

??(2) 計算所有歷史數(shù)據(jù)中的最大值和最小值；

??(3) 定時地將分析結(jié)果打包成一個新消息并通過MOM發(fā)布出去。

3.一個實時數(shù)據(jù)顯示微服務(wù)：

??(1) 實時繪制過去一段時間內(nèi)隨機信號的折線圖；

??(2) 實時顯示隨機信號統(tǒng)計分析結(jié)果。

二、設(shè)計說明

1. 面向消息的中間件MOM

??MOM(Message Oriented Middleware)是面向消息的中間件，使用消息提供者來協(xié)調(diào)消息傳送操作。這種松耦合的通信機制有助于降低客戶端和遠(yuǎn)程服務(wù)之間的依賴性。

??生產(chǎn)者負(fù)責(zé)向分布式消息隊列中發(fā)送消息，消費者從隊列中取出消息。生產(chǎn)者不必關(guān)心消費者是誰，反之亦然，這降低了分布式節(jié)點之間的耦合度，提升了系統(tǒng)的通信效率。當(dāng)消費者未上線或者消費者速度慢于生產(chǎn)者時，生產(chǎn)者可以將消息先緩存于消息隊列中，待消費者上線后，消費者可以繼續(xù)從隊首取出消息，這種模式提高了系統(tǒng)的容錯能力。

2. ActiveMQ

??ActiveMQ是Apache軟件基金會所研發(fā)的開放源代碼消息中間件，完全兼容JMS(Java Message Service)，能夠為多種編程語言提供客戶端API。本實驗主要基于ActiveMQ和JMS實現(xiàn)了題目相關(guān)要求。

3. 基于ActiveMQ的隨機信號分析系統(tǒng)

(1) 設(shè)計思想

?? (a) 隨機信號發(fā)生微服務(wù)作為生產(chǎn)者，每隔100ms生成一個高斯分布隨機值并且作為消息發(fā)布出去，主題名為RandGaussian。

?? (b) 信號分析微服務(wù)作為消費者，訂閱主題名為RandGaussian的消息，每次從消息隊列中取出一個隨機信號加入自己維護的數(shù)組中，然后對數(shù)組中的元素進行處理，得到信號的統(tǒng)計分析結(jié)果（均值、方差、最小值、最大值等等）。與此同時，該分析器還作為生產(chǎn)者，每隔2s將先前得到的信號分析結(jié)果以空格隔開，打包成字符串形式的消息發(fā)布出去，主題名為AnalysisRes。

?? ? 分析結(jié)果可視化微服務(wù)同樣作為消費者。由于題目要求將過去一段時間的信號動態(tài)顯示出來，也要求把信號分析結(jié)果顯示出來，因此我讓信號分析微服務(wù)在發(fā)送消息時，把當(dāng)前的信號值也封裝在消息中，這樣可視化微服務(wù)只需要訂閱主題為AnalysisRes的消息即可獲取全部所需數(shù)據(jù)。在獲取到所需數(shù)據(jù)后，我利用tablesaw可視化工具提供的折線圖繪制功能將數(shù)據(jù)可視化到了網(wǎng)頁頁面中，一幅折線圖中集成了當(dāng)前信號值、過去N個數(shù)的均值以及歷史最大最小值，且用不同顏色加以區(qū)分，可以達(dá)到一個比較好的視覺效果。

(2) 具體實現(xiàn)步驟

??為了具體實現(xiàn)題目要求，我編寫了3個.java文件，分別為Publisher.java、Analyzer.java和Visualizer.java，這3個模塊分別負(fù)責(zé)實現(xiàn)隨機信號產(chǎn)生器微服務(wù)、隨機信號統(tǒng)計分析微服務(wù)和實時數(shù)據(jù)顯示微服務(wù)。

??Publisher.java文件中只有一個Publisher類。首先定義實例構(gòu)造函數(shù)Pulisher(String topicName)，通過該函數(shù)我們可以實例化一個新的、綁定名為topicName（本實驗中即為RandGaussian）的主題的publisher對象并且啟動與MOM的連接。其次，我定義了一個sendNum(double mu ,double sigma)函數(shù)，功能是根據(jù)用戶輸入的高斯分布的均值和方差產(chǎn)生一個符合該分布的隨機數(shù)值，并利用producer.send()將該數(shù)值的字符形式當(dāng)成消息發(fā)布出去。最后，還定義了一個sendAnalysis(int num, int N, double value, double mean, double var, double min, double max)函數(shù)，該函數(shù)負(fù)責(zé)將信號分析結(jié)果封裝成以空格分隔的字符串消息并發(fā)布出去。在Publisher類的主方法中，首先需要用戶輸入高斯分布的均值和方差，然后程序循環(huán)生成隨機數(shù)并發(fā)布，間隔100毫秒后發(fā)布下一條消息。

??Analyzer.java文件中有兩個類，第一個是public class Analyzer類，主要實現(xiàn)對消費者對象的初始化（綁定主題RandGaussian）、獲取用戶輸入的N值以及設(shè)置消息監(jiān)聽器，最后啟動與MOM的連接。另一個類是MyListener1，即消息監(jiān)聽類。在該類中我重寫了onMessage函數(shù)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)題目的要求：開辟一個動態(tài)數(shù)組，每隔一段時間從消息隊列中取得一個隨機數(shù)并加入該數(shù)組，然后利用該數(shù)組即可求出過去N個信號的均值和方差，也可以求出全局的最小值和最大值。在得到一次分析的所有結(jié)果后，只需實例化一個publisher2對象，再調(diào)用Publisher類提供的sendAnalysis方法即可將分析結(jié)果打包成字符串發(fā)布出去（主題設(shè)為AnalysisRes）。

??Visualizer.java文件中有兩個類，public class Visualizer類負(fù)責(zé)初始化消費者對象（訂閱主題為AnalysisRes的消息）、設(shè)置監(jiān)聽器以及開啟連接。另一個類是MyListener2，即消息監(jiān)聽類。在onMessage函數(shù)中，首先需要對得到的消息進行解包，這里我利用的是String.split(" ")函數(shù)對字符串進行分解，再將結(jié)果傳入analysis數(shù)組中。解包之后，便可以將各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別add到相應(yīng)的動態(tài)數(shù)組中保存，便于后續(xù)的可視化操作。最后，設(shè)置一個Thread.sleep(2000)，即實現(xiàn)每隔2s從消息隊列中取一個隨機信號進行分析。

?? 在可視化模塊，我采用的是tech.tablesaw工具包中的Plot.show(LinePlot)函數(shù)。由于我想在同一幅圖中將若干統(tǒng)計結(jié)果一起繪制出來，則需要將各個統(tǒng)計結(jié)果的橫軸數(shù)值數(shù)組、縱軸數(shù)值數(shù)組和類型名數(shù)組分別合并到3個大數(shù)組中，這導(dǎo)致有一部分的代碼顯得比較冗長。由于在Visualizer.java中設(shè)置了Thread.sleep(2000)，因此在可視化模塊中只需要不斷地取出統(tǒng)計分析結(jié)果，即可實現(xiàn)每隔2s顯示可視化結(jié)果。如果sleep時間設(shè)置得太短，則會導(dǎo)致瞬間產(chǎn)生很多統(tǒng)計圖表，人眼看不過來，所以為了簡潔，我將sleep時間設(shè)為了2s，可以起到接近實時的效果。

三、實驗結(jié)果

在Visualizer主類的命令行中，是實時顯示的統(tǒng)計分析結(jié)果（過去N個信號的均值、方差和全局最小值最大值等）：

瀏覽器頁面在不斷實時顯示隨機信號統(tǒng)計分析的可視化折線圖，各種統(tǒng)計量的變化一目了然：

補充說明：可視化部分我采用的工具tablesaw在渲染HTML頁面時調(diào)用的是https://cdn.plot.ly/plotly-latest.min.js提供的JavaScript代碼，而該CDN節(jié)點有時存在不穩(wěn)定的情況，可能導(dǎo)致頁面渲染失敗，但仍能從網(wǎng)頁源代碼處看到圖表背后的數(shù)據(jù)，例如：
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源碼：分布式計算實驗4 隨機信號分析系統(tǒng)

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