Визуализация "Фрактала Мандельброта" на C++23 с использованием stdexec и SFML

Интерактивное приложение для вычисления, построения и исследования фрактала Мандельброта, разработанное на C++23 с использованием современного подхода к асинхронному программированию (NVIDIA stdexec) и графической библиотеки SFML.

Приложение позволяет визуализировать знаменитый фрактал Мандельброта — множество точек на комплексной плоскости, обладающее свойством самоподобия. Пользователь может интерактивно исследовать фрактал, приближая и отдаляя его участки с помощью мыши.

Основная цель проекта — продемонстрировать применение модели Sender/Receiver для построения гибкого и производительного асинхронного конвейера операций: от обработки пользовательского ввода до параллельного вычисления и финальной отрисовки кадра.

Навигация

• Архитектура
• Используемые технологии
• Начало работы
• Сборка проекта
• Настройка и подключение внешнего дисплея (Windows/Linux)
• Кейсы использования
• Тестирование

---

Архитектура

Архитектура приложения построена вокруг асинхронного пайплайна, который итеративно выполняется в главном цикле. Каждая операция в пайплайне представлена в виде сендера (sender), который по завершении передает результат следующему звену — ресиверу (receiver). Это позволяет декларативно описывать сложную логику, разделяя ее на независимые компоненты.

Вычисления производятся параллельно с использованием пула потоков exec::static_thread_pool для максимальной производительности.

UML диаграмма (Flowchart)

Диаграмма ниже иллюстрирует последовательность операций в главном цикле приложения.

flowchart LR
    subgraph "main"
        A[Start Frame] --> B{Обработка событий SFML};
        B --> C{Нужна перерисовка?};
        C -- Да --> D[Асинхронный рендеринг фрактала];
        C -- Нет --> E[Пропуск рендеринга];
        D --> F[Отрисовка в окне SFML];
        E --> F;
        F --> G[Ограничение FPS];
        G --> H[End Frame];
    end

Loading

Используемые технологии

• Язык: C++23
• Асинхронность: NVIDIA stdexec (реализация P2300 Sender/Receiver)
• Графика: SFML (Simple and Fast Multimedia Library)
• Система сборки: CMake
• Менеджеры зависимостей: Conan, CPM.cmake
• Тестирование: Google Test (GTest)
• Среда разработки: VS Code Dev Containers (Docker)

Начало работы

Проект использует Dev Containers в VS Code, что позволяет развернуть полностью настроенное окружение для разработки одной командой.

1. Настройка переменных окружения: Для корректной работы контейнера добавьте в ваш ~/.bashrc (или аналог) следующие переменные:

   echo -e '\nexport USER_UID=$(id -u)\nexport USER_GID=$(id -g)' >> ~/.bashrc
   source ~/.bashrc

2. Клонирование репозитория: Склонируйте репозиторий на ваш локальный компьютер.
3. Открытие в VS Code: Откройте папку с проектом в Visual Studio Code.
4. Запуск в контейнере: VS Code автоматически предложит открыть проект в Dev-контейнере. Нажмите Reopen in Container.

Сборка проекта

• Автоматическая сборка (рекомендуется):

  • Нажмите F5 в VS Code. Это автоматически запустит сборку проекта, установит все зависимости и запустит приложение в режиме отладки.

• Ручная сборка из терминала:

  # Создать директорию для сборки
  cmake -S . -B build

  # Собрать проект
  cmake --build build

Настройка и подключение внешнего дисплея (Windows/Linux)

Для отображения графического окна из Docker-контейнера необходимо настроить X11 Forwarding.

Для Windows:

1. Установите X Server: Установите и запустите VcXsrv или X410.
2. Настройте X Server: При первом запуске VcXsrv убедитесь, что вы отключили контроль доступа (Disable access control).
3. Узнайте IP-адрес хоста: Откройте PowerShell или CMD и выполните команду ipconfig. Найдите IPv4-адрес вашего основного сетевого адаптера (например, 192.168.1.10).
4. Настройте devcontainer.json: Откройте файл .devcontainer/devcontainer.json и в секции runArgs замените <IP адрес хоста с XLaunch> на ваш IP-адрес:

   "--env", "DISPLAY=192.168.1.10:0",

5. Пересоберите контейнер: Нажмите F1 и выполните команду Dev Containers: Rebuild Container.

Для Linux:

1. Разрешите локальные подключения: Выполните в терминале на хост-машине:

   xhost +local:

2. Узнайте IP-адрес хоста: Выполните команду hostname -I или ifconfig и скопируйте ваш IP-адрес.
3. Настройте devcontainer.json: Аналогично Windows, укажите ваш IP-адрес в файле .devcontainer/devcontainer.json.
4. Пересоберите контейнер.

Кейсы использования

• Просмотр фрактала: При запуске на экране отображается фрактал Мандельброта.
• Приближение (Zoom In): Зажмите левую кнопку мыши, чтобы приблизить участок фрактала под курсором.
• Отдаление (Zoom Out): Зажмите правую кнопку мыши для отдаления.
• Сброс вида: Нажмите клавишу R, чтобы вернуться к исходному масштабу и положению.
• Выход: Нажмите клавишу Esc или закройте окно.

Тестирование

Проект включает в себя набор unit-тестов и интеграционных тестов с использованием фреймворка Google Test. Тесты проверяют корректность работы как отдельных компонентов (сендеров, утилит), так и их взаимодействия в рамках всего пайплайна.

Запуск тестов из терминала:

# Соберите проект, если еще не сделали этого
cmake --build build

# Перейдите в директорию сборки
cd build

# Запустите исполняемый файл тестов
./MandelbrotFractal_tests