第06章-并行編程

工業(yè)和信息化部“十二五”規(guī)劃教材

普通高等學(xué)校“十二五”規(guī)劃教材

《C#網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程》第3版

第6章并行編程2Ch6并行編程6.1基本概念6.2Parallel類及其幫助器類6.3數(shù)據(jù)并行6.4任務(wù)并行6.1基本概念6.1.1并行編程的實(shí)現(xiàn)方式6.1.2任務(wù)并行庫（TPL）及其分類6.1.3并行編程中的分區(qū)（Partitioner）46.1.1并行編程的實(shí)現(xiàn)方式1．從業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的角度看并行策略并行編程模型分為數(shù)據(jù)并行與任務(wù)并行2．從硬件實(shí)現(xiàn)的角度看并行策略并行又分為單機(jī)多核并行和多機(jī)多核并行。6.1.2任務(wù)并行庫（TPL）及其分類1．TPL的分類（1）數(shù)據(jù)并行（2）任務(wù)并行（3）并行查詢6.1.2任務(wù)并行庫（TPL）及其分類2．TPL與傳統(tǒng)多線程編程模型相比的優(yōu)勢（1）TPL編程模型使用CLR線程池執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，并能自動(dòng)處理工作分區(qū)、線程調(diào)度和取消、狀態(tài)管理以及其他低級別的細(xì)節(jié)操作。（2）TPL還會(huì)動(dòng)態(tài)地按比例調(diào)節(jié)并發(fā)程度，從而最有效地使用所有可用的處理器。（3）TPL比Thread更具智能性，當(dāng)它通過試探法來預(yù)判任務(wù)集不會(huì)從并行運(yùn)行中獲得性能優(yōu)勢時(shí)，還會(huì)自動(dòng)選擇按順序運(yùn)行。6.1.2任務(wù)并行庫（TPL）及其分類3．并行編程建議的做法并非所有的任務(wù)都適合并行。這里特別強(qiáng)調(diào)的是，不論是數(shù)據(jù)并行、任務(wù)并行還是并行查詢，在實(shí)際項(xiàng)目中都不應(yīng)該在并行循環(huán)的內(nèi)部頻繁地和界面交互，這是因?yàn)轭l繁地調(diào)用共享資源（如界面控件、控制臺或文件系統(tǒng)）會(huì)大幅降低并行循環(huán)的性能。6.1.3并行編程中的分區(qū)（Partitioner）1．按范圍分區(qū)按范圍分區(qū)適用于已經(jīng)知道長度的數(shù)據(jù)源。2．按區(qū)塊分區(qū)對于長度未知的鏈接列表或其他集合，可以使用按區(qū)塊分區(qū)。3．動(dòng)態(tài)分區(qū)即可以隨時(shí)創(chuàng)建分區(qū)。4．自定義分區(qū)程序若要?jiǎng)?chuàng)建自定義分區(qū)程序，可從System.Collections.Concurrent.Partitioner<TSource>派生一個(gè)類并重寫虛方法。6.2Parallel類及其幫助器類6.2.1Parallel類6.2.2Parallel幫助器類6.2.3用于線程全局變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)6.2.1Parallel類1．Parallel.For方法Parallel.For方法用于并行執(zhí)行for循環(huán)。靜態(tài)的For方法有12種重載形式（6種32位重載，6種64位重載）For(Int32,Int32,Action<Int32>)For(Int32,Int32,ParallelOptions,Action<Int32>)For(Int32,Int32,Action<Int32,ParallelLoopState>)For(Int32,Int32,ParallelOptions,Action<Int32,ParallelLoopState>)For<TLocal>(Int32,Int32,Func<TLocal>,Func<Int32,ParallelLoopState,TLocal,TLocal>,Action<TLocal>)For<TLocal>(Int32,Int32,ParallelOptions,Func<TLocal>,Func<Int32,ParallelLoopState,TLocal,TLocal>,Action<TLocal>)一般形式如下：Parallel.For(<開始索引>,<結(jié)束索引>,<每次迭代執(zhí)行的委托>)6.2.1Parallel類2．Parallel.ForEach方法（1）在IEnumerable上并行（2）在Partitioner中并行（3）在OrderablePartitioner中并行（4）具有線程本地?cái)?shù)據(jù)的并行6.2.1Parallel類3．Parallel.Invoke方法Parallel.Invoke方法用于任務(wù)并行。重載形式有：Invoke(Action[])Invoke(ParallelOptions,Action[])這兩種方式都是盡可能并行執(zhí)行提供的操作，采用第二種重載形式還可以取消操作。6.2.2Parallel幫助器類ParallelOptionsParallelLoopStateParallelLoopResultCancellationToken和CancellationTokenSource。6.2.2Parallel幫助器類1．ParallelOptions類ParallelOptions類用于為Parallel類的方法提供操作選項(xiàng)，常用屬性如下。CancellationToken：獲取或設(shè)置與此ParallelOptions實(shí)例關(guān)聯(lián)的CancellationToken。MaxDegreeOfParallelism：獲取或設(shè)置此ParallelOptions實(shí)例所允許的最大并行度，即限制將使用多少并發(fā)任務(wù)。TaskScheduler：獲取或設(shè)置與此ParallelOptions實(shí)例關(guān)聯(lián)的任務(wù)調(diào)度策略，null表示應(yīng)使用當(dāng)前調(diào)度程序。6.2.2Parallel幫助器類2．ParallelLoopState類ParallelLoopState類用于將Parallel循環(huán)的迭代與其他迭代交互。該類的實(shí)例由Parallel類來提供給每個(gè)循環(huán)，而不是在代碼中直接創(chuàng)建該類的實(shí)例。常用屬性和方法如下。IsExceptional屬性：獲取循環(huán)過程中某個(gè)迭代是否出現(xiàn)了未處理的異常。IsStopped屬性：獲取循環(huán)過程中某個(gè)迭代是否已調(diào)用了Stop方法。Break方法：告知Parallel循環(huán)應(yīng)盡早停止執(zhí)行當(dāng)前迭代之外的迭代。Stop方法：告知Parallel循環(huán)應(yīng)盡早停止執(zhí)行。6.2.2Parallel幫助器類3．ParallelLoopResult類ParallelLoopResult類用于提供Parallel循環(huán)的完成狀態(tài)，常用屬性如下。IsCompleted：獲取該循環(huán)是否已運(yùn)行完成（即該循環(huán)的所有迭代均已執(zhí)行，并且該循環(huán)沒有收到提前結(jié)束的請求）。LowestBreakIteration：獲取從中調(diào)用Break的最低迭代的索引。如果IsCompleted返回true，則表示所有迭代都完成。如果IsCompleted返回false，并且LowestBreakIteration返回非null值，表示用Stop提前結(jié)束了循環(huán)。如果IsCompleted返回false，并且LowestBreakIteration返回非null整數(shù)值，表示用Break提前結(jié)束了循環(huán)。6.2.2Parallel幫助器類4．CancellationToken類和CancellationTokenSource類該類的含義及用法在基于任務(wù)的異步編程中已經(jīng)介紹過。6.2.3用于線程全局變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1．基本概念線程全局變量、線程局部變量、字段、局部變量之間的區(qū)別和聯(lián)系如下。線程全局變量可能是字段，也可能是局部變量，但字段和局部變量不一定是線程全局變量。只有當(dāng)變量所在的代碼段通過Parallel類在線程池中運(yùn)行并可供多個(gè)并發(fā)的線程共享時(shí)，這些變量才稱為線程全局變量。線程局部變量肯定是局部變量，但局部變量不一定是線程局部變量。只有在并行迭代循環(huán)體內(nèi)定義的局部變量才稱為線程局部變量。6.2.3用于線程全局變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2．用volatile關(guān)鍵字或者原子操作實(shí)現(xiàn)對于單個(gè)數(shù)據(jù)（如int、double、string等類型的數(shù)據(jù)），當(dāng)將其作為線程全局變量使用時(shí)，可利用volatile關(guān)鍵字將其作為字段來解決同步和沖突問題，或者利用原子操作（Interlocked類提供的靜態(tài)方法）來解決。6.2.3用于線程全局變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3．用并發(fā)集合類實(shí)現(xiàn)（1）ConcurrentBag<T>（2）隊(duì)列、堆棧和字典ConcurrentQueue<T>ConcurrentStack<T>ConcurrentDictionary<TKey,TValue>6.3數(shù)據(jù)并行6.3.1利用Parallel.For方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并行6.3.2利用Parallel.ForEach方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并行6.3.1利用Parallel.For方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并行1．簡單的Parallel.For循環(huán)For(Int32,Int32,Action<Int32>)6.3.1利用Parallel.For方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并行2．帶并行選項(xiàng)的Parallel.For循環(huán)For(Int32,Int32,ParallelOptions,Action<Int32>)6.3.1利用Parallel.For方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并行3．帶并行循環(huán)狀態(tài)的Parallel.For循環(huán)For(Int32,Int32,Action<Int32,ParallelLoopState>)6.3.1利用Parallel.For方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并行4．帶線程局部變量的Parallel.For循環(huán)For<TLocal>(Int32,Int32,Func<TLocal>,Func<Int32,ParallelLoopState,TLocal,TLocal>,Action<TLocal>)6.3.2利用Parallel.ForEach方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并行1．簡單的Parallel.ForEach循環(huán)ForEach<TSource>(IEnumerable<TSource>,Action<TSource>)6.3.2利用Parallel.ForEach方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并行2．通過按范圍分區(qū)加快小型循環(huán)體的速度使用Partitioner的靜態(tài)Create方法對源元素創(chuàng)建按范圍分區(qū)的IEnumerable<T>，然后將此范圍集合傳遞給由常規(guī)for循環(huán)組成的ForEach方法的循環(huán)體。6.4任務(wù)并行6.4.1Parallel.Invoke方法6.4.2任務(wù)調(diào)度6.4.3任務(wù)等待與組合6.4.1Parallel.Invoke方法publicstaticvoidInvoke(Action[]actions)publicstaticvoidInvoke(ParallelOptionsparallelOptions,Action[]actions)6.4.1Parallel.Invoke方法6.4.2任務(wù)調(diào)度1．默認(rèn)的調(diào)度程序（1）ThreadPool的全局隊(duì)列和本地隊(duì)列每個(gè)線程池都有一個(gè)全局隊(duì)列，該隊(duì)列負(fù)責(zé)按先進(jìn)先出（FIFO）方式將頂級任務(wù)（即不是在另一個(gè)任務(wù)的上下文中創(chuàng)建的任務(wù)）添加到該隊(duì)列中進(jìn)行排隊(duì)。添加到全局隊(duì)列中的任務(wù)默認(rèn)會(huì)安排到不同的多個(gè)可用處理器（多核處理器）上去執(zhí)行。對于子任務(wù)或者嵌套任務(wù)，這些任務(wù)都將放入一個(gè)按后進(jìn)先出（LIFO）方式操作的本地隊(duì)列中，此時(shí)該隊(duì)列的“父任務(wù)”是指在該線程的父級線程上執(zhí)行的線程。這樣做的好處是既可以保留緩存的資源位置，又能減少資源的爭用情況。（2）工作竊取6.4.2任務(wù)調(diào)度2．自定義任務(wù)調(diào)度程序（1）TaskCreationOptions枚舉NoneAttachedToParentDenyChildAttachHideSchedulerLongRunningPreferFairness（2）長時(shí)間運(yùn)行的任務(wù)6.4.2任務(wù)調(diào)度3．任務(wù)工廠TaskFactory類和TaskFactory<TResult>類6.4.2任務(wù)調(diào)度3．任務(wù)工廠任務(wù)工廠的設(shè)計(jì)思路是用基于事件的異步編程技術(shù)去解決各種應(yīng)用程序中的沖突和兼容性問題，而不是用基于任務(wù)的異步模式去實(shí)現(xiàn)的。從.NET框架4.5開始，凡是任務(wù)工廠提供的功能，建議都通過基于任務(wù)的編程模型去實(shí)現(xiàn)6.4.3任務(wù)等待與組合1．等待一個(gè)或多個(gè)任務(wù)完成（1）Wait方法