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怎样用C++实现黑板模式多知识源协作的问题求解架构

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发布： 2025-07-31 11:49:01

原创

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黑板模式的核心组件包括三部分：1. 黑板（blackboard）：作为共享数据区，保存问题状态和中间结果；2. 知识源（knowledge sources）：多个独立模块，各自负责特定领域的处理逻辑；3. 控制器（controller）：协调各知识源的执行顺序和时机。这些组件之间保持松耦合，便于系统的扩展与维护。

怎样用C++实现黑板模式多知识源协作的问题求解架构

黑板模式（Blackboard Pattern）是一种用于解决复杂问题的协作式架构，适用于多个知识源（Knowledge Sources）共同参与、逐步求解的场景。它常用于语音识别、图像分析、专家系统等领域。

在C++中实现黑板模式，核心是构建一个共享的数据结构作为“黑板”，并让各个知识源根据黑板状态独立决策、协作更新。

什么是黑板模式的核心组件？

黑板模式主要由三部分组成：

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黑板（Blackboard）：共享数据区，保存当前问题的状态和中间结果。
知识源（Knowledge Sources）：多个独立模块，各自拥有特定领域的知识，负责读取和修改黑板内容。
控制器（Controller）：协调各知识源的执行顺序和时机。

这些组件之间松耦合，便于扩展和维护。

如何设计黑板类？

黑板类是整个系统的中心，需要支持：

数据存储：可以是一个结构体或类，包含各种问题相关的字段。
数据访问控制：提供接口供知识源读写。
状态通知机制：可选，用于通知知识源黑板发生了变化。

class Blackboard {
public:
    std::map<std::string, std::any> data; // 用键值对存储任意类型的数据

    template<typename T>
    void set(const std::string& key, const T& value) {
        data[key] = value;
    }

    template<typename T>
    T* get(const std::string& key) {
        auto it = data.find(key);
        if (it != data.end() && it->second.type() == typeid(T)) {
            return std::any_cast<T>(&it->second);
        }
        return nullptr;
    }
};

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这个类使用std::any来支持多种数据类型，方便后续知识源灵活读写。

如何编写知识源？

知识源是具体的处理逻辑模块，通常继承自一个统一接口：

class KnowledgeSource {
public:
    virtual void run(Blackboard& blackboard) = 0;
    virtual ~KnowledgeSource() = default;
};

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每个子类实现自己的run()方法，根据黑板上的信息做判断，并可能修改黑板内容。

举个例子，假设我们在做一个图像识别系统：

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class EdgeDetector : public KnowledgeSource {
public:
    void run(Blackboard& blackboard) override {
        auto image = blackboard.get<cv::Mat>("raw_image");
        if (!image) return;

        cv::Mat edges;
        cv::Canny(*image, edges, 100, 200);
        blackboard.set("edges", edges);
    }
};

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这个知识源检测边缘，只依赖于原始图像的存在，完成后将边缘图写入黑板。

控制器如何调度知识源？

控制器决定何时运行哪个知识源。最简单的做法是按顺序依次调用：

class Controller {
public:
    void addSource(std::unique_ptr<KnowledgeSource> source) {
        sources.push_back(std::move(source));
    }

    void run(Blackboard& blackboard) {
        for (auto& source : sources) {
            source->run(blackboard);
        }
    }

private:
    std::vector<std::unique_ptr<KnowledgeSource>> sources;
};

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更复杂的系统可以加入循环判断，比如直到黑板达到目标状态才停止：