C#併發編程-3 並行編程基礎

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如果程式中有大量的計算任務,並且這些任務能分割成幾個互相獨立的任務塊,那就應該使用並行編程。 並行編程用於分解計算密集型的任務片段,並將它們分配給多個線程。這些並行處理方法只適用於計算密集型的任務。 一 數據的並行處理 如果有一批數據,需要對每個數據進行相同的操作,其操作是計算密集型的,需要耗費一定 ...


如果程式中有大量的計算任務,並且這些任務能分割成幾個互相獨立的任務塊,那就應該使用並行編程。

並行編程用於分解計算密集型的任務片段,並將它們分配給多個線程。這些並行處理方法只適用於計算密集型的任務。

一 數據的並行處理

如果有一批數據,需要對每個數據進行相同的操作,其操作是計算密集型的,需要耗費一定的時間。

Parallel 類型有 ForEach 方法可以解決上述問題。

下例使用了一批矩陣,對每一個矩陣都進行旋轉,Matrix類的Rotate方法是計算密集型的任務。

void RotateMatrices(IEnumerable<Matrix> matrices, float degrees)
{
    Parallel.ForEach(matrices, matrix => matrix.Rotate(degrees));
}

在某些情況下需要儘早結束這個迴圈,例如發現了無效值時。下例反轉每一個矩陣,但是如果發現有無效的矩陣,則中斷迴圈:

void InvertMatrices(IEnumerable<Matrix> matrices)
{
    Parallel.ForEach(matrices, (matrix, state) =>
    {
        if (!matrix.IsInvertible)
            state.Stop();
        else
            matrix.Invert();
    });
}

更常見的情況是可以取消並行迴圈,這與結束迴圈不同。結束(stop)迴圈是在迴圈內部進行,

而取消(cancel)迴圈是在迴圈外部進行的。例如,點擊“取消”按鈕可以取消一個 CancellationTokenSource,以取消並行迴圈,如下:

void RotateMatrices(IEnumerable<Matrix> matrices, float degrees,CancellationToken token)
{
    Parallel.ForEach(matrices,new ParallelOptions { CancellationToken = token }, matrix => matrix.Rotate(degrees));
}

註意,每個並行任務可能都在不同的線程中運行,因此必須保護對共用的狀態。

 

二 並行聚合

使用Parallel,在並行操作結束時,可以根據需要聚合結果,包括累加和、平均值等。

Parallel 類通過局部值(local value)的概念來實現聚合,局部值就是只在並行迴圈內部存在的變數。

這意味著迴圈體中的代碼可以直接訪問值,不需要擔心同步問題。

迴圈中的代碼使用 LocalFinally 委托來對每個局部值進行聚合。

需要註意的是,localFinally 委托需要以同步的方式對存放結果的變數進行訪問。

下麵是一個並行求累加和的例子:

//註意,這不是最高效的實現方式,只是舉個例子,說明用鎖來保護共用狀態。
static int ParallelSum(IEnumerable<int> values)
{
    object mutex = new object();
    int result = 0;
    Parallel.ForEach(
        source: values,
        localInit: () => 0,
        body: (item, state, localValue) => localValue + item,
        localFinally: localValue =>
        {
            lock (mutex)
                result += localValue;
        }
    );
    return result;
}

並行 LINQ 對聚合的支持,比 Parallel 類更加易用:

static int ParallelSum(IEnumerable<int> values)
{
    return values.AsParallel().Sum();
}

PLINQ 本身支持很多常規操作(例如求累加和)。大多數情況下PLINQ 對聚合的支持更有表現力,代碼也更少。

PLINQ也可通過 Aggregate 實現通用的聚合功能:

static int ParallelSum(IEnumerable<int> values)
{
    return values.AsParallel().Aggregate(
        seed: 0,
        func: (sum, item) => sum + item
    );
}

 

三 並行調用

如果需要並行調用一批方法,並且這些方法(大部分)是互相獨立的。

Parallel 類有一個簡單的成員 Invoke,可用於這種場合。

下麵的例子將一個數組分為兩半,並且分別獨立處理:

static void ProcessArray(double[] array)
{
    Parallel.Invoke(
        () => ProcessPartialArray(array, 0, array.Length / 2),
        () => ProcessPartialArray(array, array.Length / 2, array.Length)
    );
}
static void ProcessPartialArray(double[] array, int begin, int end)
{
    // 計算密集型的處理過程 ...
}

如果在運行之前都無法確定調用的方法數量,就可以在 Parallel.Invoke 函數中輸入一個委托數組,Parallel.Invoke 也支持取消操作:

static void DoAction20Times(Action action, CancellationToken token)
{
    Action[] actions = Enumerable.Repeat(action, 20).ToArray();
    Parallel.Invoke(new ParallelOptions { CancellationToken = token }, actions);
}

對於簡單的並行調用,Parallel.Invoke 是一個非常不錯的解決方案。

但在以下兩種情況中使用 Parallel.Invoke 並不是很合適:

要對每一個輸入的數據調用一個操作(改用Parallel.Foreach),或者每一個操作產生了一些輸出(改用並行 LINQ)。

 

四 並行LINQ

LINQ 可以實現在序列上”拉取“數據的運算。並行LINQ(PLINQ)擴展了 LINQ,以支持並行處理。

PLINQ 非常適用於數據流的操作,一個數據隊列作為輸入,一個數據隊列作為輸出。

下麵簡單的例子將序列中的每個元素都乘以2:

static IEnumerable<int> MultiplyBy2(IEnumerable<int> values)
{
    return values.AsParallel().Select(item => item * 2);    //實際應用中,計算工作量要大得多
}

按照並行 LINQ 的預設方式,這個例子中輸出數據隊列的次序是不固定的。

我們可以指明要求保持原來的次序。下麵的例子也是並行執行的,但保留了數據的原有次序:

static IEnumerable<int> MultiplyBy2(IEnumerable<int> values)
{
    return values.AsParallel().AsOrdered().Select(item => item * 2);
}

Parallel 類可適用於很多場合,但是在做聚合或進行數據序列的轉換時,PLINQ 的代碼更加簡潔。

PLINQ 為各種各樣的操作提供了並行的版本,包括過濾(Where)、投影(Select)以及各種聚合運算,

例如 Sum、Average 和更通用的 Aggregate。一般來說,對常規 LINQ 的所有操作都可以通過並行方式對 PLINQ 執行。

 

以上。


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