黑板架构风格

一、定义

黑板架构（Blackboard Architecture）是一种用于解决复杂问题的系统架构模式，其中多个独立的组件（通常称为 知识源）共同工作，通过共享一个共同的“黑板”（通常是一个全局的共享数据结构）来实现解决方案的推演的架构风格。每个组件根据黑板上的信息做出贡献，修改黑板上的状态，直到最终完成任务。

二、组成

黑板架构由黑板（Blackboard）、知识源（Knowledge Sources）、控制组件（ControlComponent）组成。每个要素在系统中扮演特定的角色，共同协作完成复杂任务。
2.1 黑板（Blackboard）
角色：系统的共享数据存储。
功能：存储所有知识源可以访问和操作的数据，以及最终的结果。
是一种全局共享的内存结构，所有知识源通过黑板进行数据交换。数据按照一定规则进行组织，可能包括原始数据、中间状态和最终结果。数据的更新通常触发知识源的执行。
2.2知识源（Knowledge Sources）
角色：系统的功能单元或模块。
功能：实现具体的逻辑操作或推理过程。
知识源是独立的模块，可以根据自己的触发条件决定是否参与计算。每个知识源监视黑板上的数据变化，当满足其触发条件时被激活。知识源之间是解耦的，它们通过黑板间接通信，而不是直接交互。
2.3 控制组件（Control Component）
角色：系统的协调者和调度器。
功能：负责监控黑板状态、调度知识源的执行顺序，以及整体任务的推进。

三、特点

1. 中心化的黑板
共享存储：黑板是系统的核心，所有组件通过它共享数据和状态，避免了直接的组件之间的耦合。
层次化结构：黑板通常分层存储不同级别的知识（例如原始数据、中间结果、最终决策等）。
2. 解耦的知识源
模块化设计：知识源是独立的功能模块，它们的实现和逻辑可以独立开发和扩展。
低耦合：知识源之间没有直接交互，而是通过黑板协作。
3. 控制组件
调度决策：控制组件负责协调知识源的执行顺序和条件，避免资源冲突。
动态性：可以根据问题状态动态选择哪些知识源参与处理，提高了灵活性和适应性。
4. 支持异步与分布式处理
并行性：知识源可以独立运行并以异步方式更新黑板，提高系统性能。
分布式扩展：黑板架构天然支持分布式实现，知识源可以运行在不同的节点上，通过网络共享黑板状态。
5. 增量式问题求解
逐步完善：知识源通过不断修改和补充黑板上的数据，逐步接近问题的最终解。
中间状态可视化：黑板记录了所有的中间状态，方便调试和分析。
6. 易于扩展
新知识源：可以随时增加新的知识源，无需对现有代码进行大规模修改。
适应新需求：随着需求变化，可以调整控制策略或增加黑板的数据结构。
7. 灵活性和适应性
多样化解决方案：知识源可以包含不同的方法或算法，系统可以根据情况选择最优的解决方案。
应对复杂问题：适合不确定性高、解决路径不明确的问题。

四、适用场景

音频/视频处理（如语音识别、音频信号分析）。
机器人控制（如多传感器数据融合）。
专家系统（如医疗诊断、自动故障检测）。
游戏 AI（如智能决策、多角色协作）。
通过这些特点，黑板架构在复杂、动态和高并发的系统中具有显著优势。

示例代码：黑板架构处理音频

///g++ -std=c++11 -pthread main.cpp -o blackboard_audio
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

// 黑板
struct Blackboard {
    std::vector<float> audioData;     // 存储原始音频数据
    std::vector<float> processedData; // 存储处理后的音频数据
    bool dataReady = false;           // 标志数据是否已准备好
    std::mutex mtx;                   // 用于保护数据访问
};

// 知识源基类
class KnowledgeSource {
public:
    virtual void execute(Blackboard& blackboard) = 0;
    virtual ~KnowledgeSource() = default;
};

// 知识源：FFT
class FFTProcessor : public KnowledgeSource {
public:
    void execute(Blackboard& blackboard) override {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(blackboard.mtx);
        if (!blackboard.dataReady) return;

        blackboard.processedData.resize(blackboard.audioData.size());
        for (size_t i = 0; i < blackboard.audioData.size(); ++i) {
            blackboard.processedData[i] = std::sin(blackboard.audioData[i]); // 简单模拟FFT
        }
        std::cout << "FFT processing completed." << std::endl;
    }
};

// 知识源：滤波器
class FilterProcessor : public KnowledgeSource {
public:
    void execute(Blackboard& blackboard) override {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(blackboard.mtx);
        if (!blackboard.dataReady) return;

        for (auto& sample : blackboard.processedData) {
            sample *= 0.5f; // 简单模拟滤波
        }
        std::cout << "Filter processing completed." << std::endl;
    }
};

// 控制组件
class ControlComponent {
public:
    ControlComponent(Blackboard& bb) : blackboard(bb) {}

    void addKnowledgeSource(KnowledgeSource* ks) {
        knowledgeSources.push_back(ks);
    }

    void run() {
        for (auto* ks : knowledgeSources) {
            ks->execute(blackboard);
        }
    }

private:
    Blackboard& blackboard;
    std::vector<KnowledgeSource*> knowledgeSources;
};

// 示例主函数
int main() {
    Blackboard blackboard;

    // 初始化黑板上的音频数据
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(blackboard.mtx);
        blackboard.audioData = {1.0f, 2.0f, 3.0f, 4.0f};
        blackboard.dataReady = true;
    }

    // 创建知识源和控制组件
    FFTProcessor fftProcessor;
    FilterProcessor filterProcessor;
    ControlComponent control(blackboard);

    control.addKnowledgeSource(&fftProcessor);
    control.addKnowledgeSource(&filterProcessor);

    // 执行处理流程
    control.run();

    // 输出处理后的数据
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(blackboard.mtx);
        std::cout << "Processed data: ";
        for (const auto& sample : blackboard.processedData) {
            std::cout << sample << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }

    return 0;
}