Armazenagem e seleção de objetos específicos com Store, FilterStore e PriorityStore

O SimPy possui uma ferramenta para armazenamento de objetos - como valores, recursos etc. - chamada Store; um comando de acesso a objetos específicos dentro do Store por meio de filtro, o FilterStore e um comando de acesso de objetos por ordem de prioridade, o PriorityStore. O programador experiente vai notar certa similaridade da família Store com o dicionário do Python.

Vamos desvendar o funcionamento do Store a partir de um exemplo bem simples: simulando o processo de atendimento em uma barbearia com três barbeiros. Quando você chega a uma barbearia e tem uma ordem de preferência entre os barbeiros, isto é: barbeiro 1 vem antes do 2, que vem antes do 3, precisará selecionar o recurso barbeiro na ordem certa de sua preferência, mas lembre-se: cada cliente tem seu gosto e gosto não se discute, simula-se!

Construindo um conjunto de objetos com Store

Inicialmente, considere que os clientes são atribuídos ao primeiro barbeiro que encontrar-se livre, indistintamente. Se todos os barbeiros estiverem ocupados, o cliente aguarda em fila.

O comando que constrói um armazém de objetos é o simpy.Store():

meuStore = simpy.Store(env, capacity=capacidade)

Para manipular o Storecriado, temos três comandos à disposição:

• meuStore.items: adiciona objetos ao meuStore;
• yield meuStore.get(): retira o primeiro objeto disponível de meuStore ou, caso o meuStore esteja vazio, aguarda até que algum objeto sela colocado no Store;

• yield meuStore.put(umObjeto): coloca um objeto no meuStoreou, caso o meuStoreesteja cheio, aguarda até que surja um espaço vazio para colocar o objeto.

  Observação: se a capacidade não for fornecida, o SimPy assumirá que a capacidade do Store é ilimitada.

Para a nossa barbearia, criaremos um Storeque armazenará o nome dos barbeiros, aqui denominados de 0, 1 e 2:

env = simpy.Environment()

# cria 3 barbeiros diferentes
barbeirosList = [simpy.Resource(env, capacity=1) for i in range(3)]

# cria um Store para armazenar os barbeiros
barbeariaStore = simpy.Store(env, capacity=3)
barbeariaStore.items = [0, 1, 2]

No código anterior, criamos uma lista com três recursos que representarão os barbeiros. A seguir, criamos uma Store, chamada barbeariaStore, de capacidade 3 e adicionamos, na linha seguinte, um lista com os três números que representam os próprios barbeiros.

Em resumo, nosso Store contém apenas os números 0, 1 e 2.

Considere que o intervalo entre chegadas sucessivas de clientes é exponencialmente distribuído com média de 5 minutos e que cada barbeiro leva um tempo normalmente distribuído com média 10 e desvio padrão de 2 minutos para cortar o cabelo.

Uma possível máscara para o modelo de simulação seria:

import simpy
import random

TEMPO_CHEGADAS = 5      # intervalo entre chegadas de clientes
TEMPO_CORTE = [10, 2]   # tempo médio de corte 

def chegadaClientes(env, barbeariaStore):
    # gera clientes exponencialmente distribuídos
    # encaminha para o processo de atendimento

def atendimento(env, cliente, barbeariaStore):
    # ocupa um barbeiro específico e realiza o corte

random.seed(100)            
env = simpy.Environment()

# cria 3 barbeiros diferentes
barbeirosList = [simpy.Resource(env, capacity=1) for i in range(3)]

# cria um Store para armazenar os barbeiros
barbeariaStore = simpy.Store(env, capacity=3)
barbeariaStore.items = [0, 1, 2]

# inicia processo de chegadas de clientes
env.process(chegadaClientes(env, barbeariaStore))
env.run(until = 20)

A função para gerar clientes é semelhante a tantas outras que já fizemos neste livro:

def chegadaClientes(env, barbeariaStore):
    # gera clientes exponencialmente distribuídos
    # encaminha para o processo de atendimento
    i = 0
    while True:
        yield env.timeout(random.expovariate(1/TEMPO_CHEGADAS))
        i += 1
        print("%5.1f Cliente %i chega." %(env.now, i))
        env.process(atendimento(env, i, barbeariaStore))

A função de atendimento, traz a novidade de que primeiro devemos retirar um objeto/barbeiro do Store e, ao final do atendimento, devolvê-lo ao Store:

def atendimento(env, cliente, barbeariaStore):
    # ocupa um barbeiro específico e realiza o corte
    chegada = env.now
    # retira o barbeiro do Store
    barbeiroNum = yield barbeariaStore.get()
    espera = env.now - chegada
    print("%5.1f Cliente %i inicia.\t\tBarbeiro %i ocupado.\tTempo de fila: %2.1f" 
            %(env.now, cliente, barbeiroNum, espera))
    with barbeirosList[barbeiroNum].request() as req:
        yield req
        yield env.timeout(random.normalvariate(*TEMPO_CORTE))
        print("%5.1f Cliente %i termina.\tBarbeiro %i liberado."
                %(env.now, cliente, barbeiroNum))
    # devolve o barbeiro ao Store
    barbeariaStore.put(barbeiroNum)

Quando estamos retirando um objeto do barbeariaStore, estamos apenas retirando o nome (ou identificador) do barbeiro disponível. Algo como retirar um cartão com o nome do barbeiro de uma pilha de barbeiros disponíveis. Se o cartão é retirado, significa que, enquanto ele não for devolvido à pilha, nenhum cliente poderá ocupá-lo, pois ele não se encontra na pilha de barbeiros disponíveis.

Para ocuparmos o recurso (ou barbeiro) selecionado corretamente, utilizamos o identificador como índice da lista barbeiroList. Assim, temporariamente, o barbeiro retirado do Store fica indisponível para outros clientes, pois a linha:

barbeiroNum = yield barbeariaStore.get()

Só retornará um barbeiro dentre aqueles que ainda estão à disposição.
Ao ser executado por apenas 20 minutos, o modelo de simulação completo da barbeira fornece como saída:

 11.8 Cliente 1 chega.
 11.8 Cliente 1 inicia.         Barbeiro 0 ocupado.     Tempo de fila: 0.0
 17.6 Cliente 2 chega.
 17.6 Cliente 2 inicia.         Barbeiro 1 ocupado.     Tempo de fila: 0.0
 19.5 Cliente 1 termina.        Barbeiro 0 liberado.

No caso do exemplo, o Store armazenou basicamente uma lista de números [0,1,2], que representam os nomes dos barbeiros. Poderíamos sofisticar um pouco mais o exemplo e criar um dicionário (em Python) para manipular os nomes reais dos barbeiros. Por exemplo, se os nomes dos barbeiros são: João, José e Mário, poderíamos montar o barberirosStorecom seus respectivos nomes e evitar o uso de números:

random.seed(100)            
env = simpy.Environment()

#cria 3 barbeiros diferentes e armazena em um dicionário
barbeirosList = [simpy.Resource(env, capacity=1) for i in range(3)]
barbeirosNomes = ['João', 'José', 'Mario']
barbeirosDict = dict(zip(barbeirosNomes, barbeirosList))

#cria um Store para armazenar os barbeiros
barbeariaStore = simpy.Store(env, capacity=3)
barbeariaStore.items = barbeirosNomes

# inicia processo de chegadas de clientes
env.process(chegadaClientes(env, barbeariaStore))
env.run(until = 20)

O exemplo anterior apenas reforça que Store é um local para se armazenar objetos de qualquer tipo (semelhante ao dict do Python).

Observação:Store opera segundo uma regra FIFO (Firt-in-First-out), ou seja: o primeiro objeto a entrar no Store por meio de um .put() será o primeiro objeto a sair dele com um .get().

Selecionando um objeto específico com FilterStore()

Considere agora o caso bastante comum em que precisamos selecionar um recurso específico (segundo alguma regra) dentro de um conjunto de recursos disponíveis. Na barbearia, por exemplo, cada cliente agora tem um barbeiro preferido e, se ele não está disponível, o cliente prefere aguardar sua liberação.
Neste caso, vamos assumir que a preferência de um cliente é uniformemente distribuída entre os três barbeiros.
Precisamos, portanto, de um modo de selecionar um objeto específico dentro do Store. O SimPy tem um comando para construir um conjunto de objetos filtrável, o FilterStore:

meuFilterStore = simpy.FilterStore(env, capacity=capacidade)

A grande diferença para o Store é que podemos utilizar uma função anônima do Python dentro do comando .get() e assim puxar um objeto de dentro do FilterStore segundo alguma regra codificada por nós.
Inicialmente, criaremos um FilterStorede barbeiros, que armazenará apenas os números 1, 2 e 3:

random.seed(150)            
env = simpy.Environment()

#cria 3 barbeiros diferentes
barbeirosList = [simpy.Resource(env, capacity=1) for i in range(3)]

#cria um Store para armazenar os barbeiros
barbeariaStore = simpy.FilterStore(env, capacity=3)
barbeariaStore.items = [0, 1, 2]

# inicia processo de chegadas de clientes
env.process(chegadaClientes(env, barbeariaStore))
env.run(until = 20)

A função geradora de clientes terá uma ligeira modificação, pois temos de atribuir a cada cliente um barbeiro específico, respeitando o sorteio de uma distribuição uniforme:

import simpy
import random

TEMPO_CHEGADAS = 5          # intervalo entre chegadas de clientes
TEMPO_CORTE = [10, 5]       # tempo médio de corte 
PREF_BARBEIRO = [0, 2]      # preferência de barbeiros

def chegadaClientes(env, barbeariaStore):
    # gera clientes exponencialmente distribuídos
    # sorteia o barbeiro
    # inicia processo de atendimento
    i = 0
    while True:
        yield env.timeout(random.expovariate(1/TEMPO_CHEGADAS))
        i += 1
        barbeiroEscolhido = random.randint(*PREF_BARBEIRO)
        print("%5.1f Cliente %i chega.\t\tBarbeiro %i escolhido." 
                %(env.now, i, barbeiroEscolhido))
        env.process(atendimento(env, i, barbeiroEscolhido, barbeariaStore))

Na função anterior, o atributo barbeiroEscolhido armazena o número do barbeiro sorteado e envia a informação para a função que representa o processo de atendimento.
A função atendimento utilizará uma função anônima para buscar o barbeiro certo dentro doFilterStore criado:

def atendimento(env, cliente, barbeiroEscolhido, barbeariaStore):
    #ocupa um barbeiro específico e realiza o corte
    chegada = env.now
    barbeiroNum = yield barbeariaStore.get(lambda barbeiro: barbeiro==barbeiroEscolhido)
    espera = env.now - chegada
    print("%5.1f Cliente %i incia.\t\tBarbeiro %i ocupado.\tTempo de fila: %2.1f" 
            %(env.now, cliente, barbeiroEscolhido, espera))
    with barbeirosList[barbeiroNum].request() as req:
        yield req
        yield env.timeout(random.normalvariate(*TEMPO_CORTE))
        print("%5.1f Cliente %i termina.\tBarbeiro %i liberado."
                %(env.now, cliente, barbeiroEscolhido))
    barbeariaStore.put(barbeiroNum)

Para selecionar o número certo do barbeiro, existe uma função lambda inserida dentro do .get():

barbeiroNum = yield barbeariaStore.get(lambda barbeiro: barbeiro==barbeiroEscolhido)

Esta função percorre os objetos dentro da barbeariaStoreaté encontrar um que tenha o número do respectivo barbeiro desejado pelo cliente. Note que também poderíamos ter optado por uma construção alternativa utilizando o nome dos barbeiros e não os números - neste caso, uma alternativa seria seguir o exemplo da seção anterior e utilizar um dicionário para associar o nome dos barbeiros aos respectivos recursos.
Quando executado, o modelo anterior fornece:

  8.7 Cliente 1 chega.          Barbeiro 1 escolhido.
  8.7 Cliente 1 inicia.         Barbeiro 1 ocupado.     Tempo de fila: 0.0
  9.7 Cliente 2 chega.          Barbeiro 0 escolhido.
  9.7 Cliente 2 inicia.         Barbeiro 0 ocupado.     Tempo de fila: 0.0
 12.4 Cliente 3 chega.          Barbeiro 1 escolhido.
 15.5 Cliente 1 termina.        Barbeiro 1 liberado.
 15.5 Cliente 3 inicia.         Barbeiro 1 ocupado.     Tempo de fila: 3.0

Repare que o cliente 3 chegou num instante em que o barbeiro 1 estava ocupado atendendo o cliente 1, assim ele foi obrigado a esperar em fila por 3 minutos, até que o cliente 1 liberasse o Barbeiro 1.

Criando um Store com prioridade: PriorityStore

Como sabemos, um Store segue a regra FIFO, de modo que o primeiro objeto a entrar no Storeserá o primeiro a sair do Store. É possível quebrar essa regra por meio do PriorityStore:

meuPriorityStore = simpy.PriorityStore(env, capacity=inf)

Para acrescentar um objeto qualquer ao meuPriorityStorejá criado, a sequência de passos é primeiro criar um objeto PriorityItem - que representará o objeto a ser armazendo - para depois inseri-lo com um comando put, como representado no exemplo a seguir:

# criar o PriorityItem
meuObjetoPriority = simpy.PriorityItem(priority=priority, item=meuObjeto)
# adicionar o PriorityItem ao PriorityStore
meuPriorityStore.put(meuObjetoPriority)

Observação: como no caso do PriorityResource, quanto menor o valor de priority, maior a preferência pelo objeto.

No caso dos barbeiros: "João, José e Mário", considere que a ordem de prioridades é a própria ordem alfabética dos nomes. Assim, inicialmente, construiremos dois dicionários para armazenar essas informações sobre os barbeiros:

random.seed(100)            
env = simpy.Environment()

# cria 3 barbeiros diferentes e armazena em um dicionário
barbeirosList = [simpy.Resource(env, capacity=1) for i in range(3)]
barbeirosNomes = ['João', 'José', 'Mario']
# lista com a ordem de prioridades dos barbeiros
barbeirosPrioList = ['0', '1', '2']

# dicionário de recursos e prioridades
barbeirosDict = dict(zip(barbeirosNomes, barbeirosList))
barbeirosPrioDict = dict(zip(barbeirosNomes, barbeirosPrioList))

A partir dos dicionários anteriores, podemos construir um PriorityStore que armazena os nomes dos barbeiros e suas prioridades:

# cria um Store para armazenar os barbeiros
barbeariaStore = simpy.PriorityStore(env, capacity=3)
for nome in barbeirosNomes:
    barbeiro = simpy.PriorityItem(priority=barbeirosPrioDict[nome], item=nome)
    barbeariaStore.put(barbeiro)

# inicia processo de chegadas de clientes
env.process(chegadaClientes(env, barbeariaStore))
env.run(until = 20)

A função atendimento é muito semelhante às anteriores, basta notar que o comando get vai buscar não o nome, ma um objeto PriorityItem dentro do PriorityStore. Este objeto possui dois atributos: item - no nosso caso, o nome do barbeiro - e priority - a prioridade do objeto.

A seguir, apresenta-se uma possível implementação da função atendimento. Note que o objeto barbeiro é um PriorityItem e que, para sabermos o seu nome, precisamos do comando barbeiro.item:

def atendimento(env, cliente, barbeariaStore):
    #ocupa um barbeiro específico e realiza o corte
    chegada = env.now
    barbeiro = yield barbeariaStore.get()
    # extraí o nome do barbeiro
    barbeiroNome = barbeiro.item
    espera = env.now - chegada
    print("%5.1f Cliente %i inicia.\t\tBarbeiro %s ocupado.\tTempo de fila: %2.1f"
            %(env.now, cliente, barbeiroNome, espera))
    with barbeirosDict[barbeiroNome].request() as req:
        yield req
        yield env.timeout(random.normalvariate(*TEMPO_CORTE))
        print("%5.1f Cliente %i termina.\tBarbeiro %s liberado." 
                %(env.now, cliente, barbeiroNome))
    barbeariaStore.put(barbeiro)

O modelo de simulação completo, quando simulado por apenas 20 minutos, fornece como saída:

  0.8 Cliente 1 chega.
  0.8 Cliente 1 inicia.         Barbeiro João ocupado.  Tempo de fila: 0.0
  3.8 Cliente 2 chega.
  3.8 Cliente 2 inicia.         Barbeiro José ocupado.  Tempo de fila: 0.0
 10.4 Cliente 3 chega.
 10.4 Cliente 3 inicia.         Barbeiro Mario ocupado. Tempo de fila: 0.0
 12.7 Cliente 2 termina.        Barbeiro José liberado.
 13.9 Cliente 1 termina.        Barbeiro João liberado.
 14.2 Cliente 4 chega.
 14.2 Cliente 4 inicia.         Barbeiro João ocupado.  Tempo de fila: 0.0
 14.5 Cliente 5 chega.
 14.5 Cliente 5 inicia.         Barbeiro José ocupado.  Tempo de fila: 0.0
 17.8 Cliente 3 termina.        Barbeiro Mario liberado.

Observação 1: internamente, o SimPy trata a "família" Store como recursos com capacidade ilimitada de armazenamento de objetos.
Observação 2: uma implementação alternativa para o problema anterior, seria armazenar no PriorityStore não o nome do barbeiro, mas o próprio recurso criado. (Veja o tópico: "Teste seus conhecimentos" na próxima seção.

Conceitos desta seção

Desafios

Desafio 15: considere que na barbearia, 40% dos clientes escolhem seu barbeiro favorito, sendo que, 30% preferem o barbeiro A, 10% preferem o barbeiro B e nenhum prefere o barbeiro C (o proprietário do salão). Construa um modelo de simulação representativo deste sistema.

Desafio 16: acrescente ao modelo da barbearia, a possibilidade de desistência e falta do barbeiro. Neste caso, existe 5% de chance de um barbeiro faltar em determinado dia. Neste caso, considere 3 novas situações:

• Se o barbeiro favorito faltar, o respectivo cliente vai embora;
• O cliente que não possuir um barbeiro favorito olha a fila de clientes: se houver mais de 6 clientes em fila, ele desiste e vai embora;
• O cliente que possui um barbeiro favorito, não esperará se houver mais de 3 clientes esperando seu barbeiro favorito.