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C#并行編程之數(shù)據(jù)并行Tasks.Parallel類

 更新時間：2022年05月09日 11:17:22   作者：springsnow  
這篇文章介紹了C#并行編程之數(shù)據(jù)并行Tasks.Parallel類，文中通過示例代碼介紹的非常詳細。對大家的學(xué)習或工作具有一定的參考借鑒價值，需要的朋友可以參考下

一、并行概念

1、并行編程

在.NET 4中的并行編程是依賴Task Parallel Library(后面簡稱為TPL) 實現(xiàn)的。在TPL中，最基本的執(zhí)行單元是task(中文可以理解為"任務(wù)"),一個task就代表了你要執(zhí)行的一個操作。你可以為你所要執(zhí)行的每一個操作定義一個task,TPL就負責創(chuàng)建線程來執(zhí)行你所定義的task，并且管理線程。TPL是面向task的，自動的；而傳統(tǒng)的多線程是以人工為導(dǎo)向的。

現(xiàn)在已經(jīng)進入了多核的時代，我們的程序如何更多的利用好硬件cpu，答案是并行處理。在.net4.0之前我們要開發(fā)并行的程序是非常的困難，在.net4.0中，在命名空間System.Threading.Tasks提供了方便的并行開發(fā)的類庫。

2、數(shù)據(jù)并行

數(shù)據(jù)并行指的是對源集合或數(shù)組的元素同時（即，并行）執(zhí)行相同操作的場景。 在數(shù)據(jù)并行操作中，對源集合進行分區(qū)，以便多個線程能夠同時在不同的網(wǎng)段上操作。

任務(wù)并行庫 (TPL) 支持通過 System.Threading.Tasks.Parallel 類實現(xiàn)的數(shù)據(jù)并行。 此類對 for 循環(huán)和 foreach 循環(huán)提供了基于方法的并行執(zhí)行。你為Parallel.For 或 Parallel.ForEach 循環(huán)編寫的循環(huán)邏輯與編寫連續(xù)循環(huán)的相似。 無需創(chuàng)建線程或列工作項。 在基本循環(huán)中，不需要加鎖。TPL 為你處理所有低級別的工作。

Parallel.For()和Parallel.ForEach()方法多次調(diào)用同一個方法，而Parallel.Invoke()方法允許同時調(diào)用不同的方法。

二、Parallel.Invoke（）：并行調(diào)用多個任務(wù) 。

例1：同時調(diào)用2個任務(wù)

static void Main(string[] args)
{
    var watch = Stopwatch.StartNew();
    Parallel.Invoke(Run1, Run2);
    watch.Stop();
    Console.WriteLine("我是并行開發(fā)，總共耗時:{0}", watch.ElapsedMilliseconds)
}

static void Run1()
{
    Console.WriteLine("我是任務(wù)一,我跑了3s");
    Thread.Sleep(3000);
}

static void Run2()
{
    Console.WriteLine("我是任務(wù)二，我跑了5s");
    Thread.Sleep(5000);
}

例2：說明并不是每個任務(wù)一個線程。

// 定義一個線程局部變量，返回其線程名
ThreadLocal<string> ThreadName = new ThreadLocal<string>(() =>
{
    return "Thread" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;
});

//  打印出當前線程名的方法。 
Action action = () =>
{
    // 如果 ThreadName.IsValueCreated 為true,在這個線程上不是第一次運行這個方法。
    bool repeat = ThreadName.IsValueCreated;
    Console.WriteLine("ThreadName = {0} {1}", ThreadName.Value, repeat ? "(repeat)" : "");
};

// 調(diào)用8個方法，你應(yīng)該會看到一些重復(fù)的線程名
Parallel.Invoke(action, action, action, action, action, action, action, action);
ThreadName.Dispose();

三、Parallel.For（）： for 循環(huán)的并行運算 

我們知道串行代碼中也有一個for，但是那個for并沒有用到多核，而Paraller.for它會在底層根據(jù)硬件線程的運行狀況來充分的使用所有的可利用的硬件線程，注意這里的Parallel.for的步行是1。

在For()方法中，前兩個參數(shù)定義了循環(huán)的開頭和結(jié)束。示例從0迭代到9。第3個參數(shù)是一個 Action<int>委托。整數(shù)參數(shù)是循環(huán)的迭代次數(shù)，該參數(shù)被傳遞給Action < int >委托引用的方法。 Parallel.For方法的返回類型是ParallelLoopResult結(jié)構(gòu)，它提供了循環(huán)是否結(jié)束的信息。

ParallelLoopResult result = Parallel.For(0, 10, i =>
 {
     Console.WriteLine("{0}, task: {1}, thread: {2}", i, Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
     Thread.Sleep(10);
 });
Console.WriteLine(result.IsCompleted);

首先先寫一個普通的循環(huán)：

private void NormalFor()
{
    for (var i = 0; i < 10000; i++)
    {
        for (var j = 0; j < 1000; j++)
        {
            for (var k = 0; k < 100; k++)
            {
                DoSomething();
            }
        }
    }
}

再看一個并行的For語句：

private void ParallelFor()
{
    Parallel.For(0, 10000, i =>
    {
        for (int j = 0; j < 1000; j++)
        {
            for (var k = 0; k < 100; k++)
            {
                DoSomething();
            }
        }
 
    });
}

上面的例子中，只是將最外層的For語句替換成了Parallel.For，Parallel執(zhí)行速度可以提高近一倍。

四、Parallel.ForEach（）：foreach 循環(huán)的并行運算 

private void NormalForeach() 
{
    foreach (var file in GetFiles())
    {
        DoSomething();
    }
     
}
 
private void ParallelForeach()
{
    Parallel.ForEach(GetFiles(), file => {
        DoSomething();
    });
}

ForEach的使用跟For使用幾乎是差不多了，只是在對非泛型的Collection進行操作的時候，需要通過Cast方法進行轉(zhuǎn)換。

ForEach的獨到之處就是可以將數(shù)據(jù)進行分區(qū)，每一個小區(qū)內(nèi)實現(xiàn)串行計算，分區(qū)采用Partitioner.Create實現(xiàn)。

for (int j = 1; j < 4; j++)
{
    Console.WriteLine("\n第{0}次比較", j);
    ConcurrentBag<int> bag = new ConcurrentBag<int>();
    var watch = Stopwatch.StartNew();
    watch.Start();
    for (int i = 0; i < 3000000; i++)
    {
        bag.Add(i);
    }
    Console.WriteLine("串行計算：集合有:{0},總共耗時：{1}", bag.Count, watch.ElapsedMilliseconds);

    GC.Collect();
    bag = new ConcurrentBag<int>();
    watch = Stopwatch.StartNew();
    watch.Start();
    Parallel.ForEach(Partitioner.Create(0, 3000000), i =>
    {
        for (int m = i.Item1; m < i.Item2; m++)
        {
            bag.Add(m);
        }
    });
    Console.WriteLine("并行計算：集合有:{0},總共耗時：{1}", bag.Count, watch.ElapsedMilliseconds);
    GC.Collect();
}

五、線程局部變量

下面這段代碼多次運行每次的結(jié)果都不一樣，因為total變量是公共的，而我們的程序是多個線程的加，而多個線程之間是不能把數(shù)據(jù)共享的。

public void NormalParallelTest()
{
    int[] nums = Enumerable.Range(0, 1000000).ToArray();
    long total = 0;
    Parallel.For(0,nums.Length,i=>
    {
        total += nums[i];
    });
    Console.WriteLine("The total is {0}", total);
}

其實我們需要的是在每個線程中計算出一個和值，然后再進行累加。我們來看看線程局部變量：

泛型方法Parallel.For<T>的原型：

public static ParallelLoopResult 
For<TLocal>

(int fromInclusive, int toExclusive, 
 Func<TLocal> localInit, 
 Func<int, ParallelLoopState, TLocal, TLocal> body,
 Action<TLocal> 
localFinally
);
  • TLocal:線程變量的類型；第一個、第二個參數(shù)就不必多說了，就是起始值跟結(jié)束值。
  • localInit：每個線程的線程局部變量初始值的設(shè)置；
  • body：每次循環(huán)執(zhí)行的方法，其中方法的最后一個參數(shù)就是線程局部變量；
  • localFinally：每個線程之后執(zhí)行的方法。

1、Parallel.For中定義局部變量：

從2開始，累加2個，得49.

int[] nums = Enumerable.Range(0, 10).ToArray();
long total = 0;

Parallel.For<long>(0, nums.Length, () => { return 2; }, 

    (j, loop, subtotal) =>//1、每次循環(huán)執(zhí)行的方法
    {
        subtotal += nums[j];
        Console.WriteLine("主體： thread {1}, task {2},結(jié)果：{0}", j+ ":" +nums[j] + "-" + subtotal,     Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, Task.CurrentId);
    
        return subtotal;
    },

    (x) =>//2、每個線程執(zhí)行之后執(zhí)行的方法
    {

        Console.WriteLine(" 最終執(zhí)行：thread {1}, task {2}，結(jié)果：{0} ", x, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, Task.CurrentId);
        Interlocked.Add(ref total, x);
    });
Console.WriteLine("The total is {0}", total);

2、Parallel.Each中定義局部變量：

要注意的是，我們必須要使用ForEach<TSource, TLocal>，因為第一個參數(shù)表示的是迭代源的類型，第二個表示的是線程局部變量的類型，其方法的參數(shù)跟For是差不多的。

public void ForeachThreadLocalTest()
{
    int[] nums = Enumerable.Range(0, 1000000).ToArray();
    long total = 0;
    Parallel.ForEach<int,long>(nums,()=>0,
 
        (member,loopState,subTotal)=>//1、每次循環(huán)執(zhí)行的方法
        {
            subTotal += member;
            return subTotal;
        },

        (perLocal)=>//2、每個線程執(zhí)行之后執(zhí)行的方法
           Interlocked.Add(ref total,perLocal)
       );
    Console.WriteLine("The total is {0}", total);
}

六、Break、Stop中斷與停止線程

在并行循環(huán)的委托參數(shù)中提供了一個ParallelLoopState，該實例提供了Break和Stop方法來幫我們實現(xiàn)。

  • Break“中斷”：表示完成當前線程上當前迭代之前的所有線程上的所有迭代，然后退出循環(huán)。（比如并行計算正在迭代100，那么break后程序還會迭代所有小于100的。）
  • Stop“停止”：表示在方便的情況下盡快停止所有迭代。（比如正在迭代100突然遇到stop，那它啥也不管了，直接退出。）

首先我們可以看到在Parallel.For的一個重載方法：

public static ParallelLoopResult 
For
(int fromInclusive, int toExclusive, Action<int, ParallelLoopState > body)

在委托的最后一個參數(shù)類型為ParallelLoopState,而ParallelLoopState里面提供給我們兩個方法：Break、Stop來終止迭代。

private void StopLoop()
{
    var Stack = new ConcurrentStack<string>();
    Parallel.For(0, 10000, (i, loopState
) =>
    {
        if (i < 1000)
            Stack.Push(i.ToString());
        else
        {
            loopState.Stop();
            return;
        }
    });
    Console.WriteLine("Stop Loop Info:\n elements count:{0}", Stack.Count);    
}

七、Cancel取消循環(huán)

在并行的循環(huán)中支持通過傳遞ParallelOptions參數(shù)中的CancellationToken進行取消循環(huán)的控制，我們可以CancellationTokenSource實例化之后傳遞給ParallelOptions對象Cancellation值。下面來看個示例：

在For循環(huán)的實現(xiàn)代碼內(nèi)部，Parallel類驗證CancellationToken 的結(jié)果，并取消操作。一旦取消操作，F(xiàn)or（）方法就拋出個OperationCanceledException類型的異常，這是本例捕獲的異常。使用 CancellationTokeri可以注冊取消操作時的信息。為此，需要調(diào)用Register方法，并傳遞一個在取消 操作時調(diào)用的委托。

var cts = new CancellationTokenSource();
cts.Token.Register(() =>Console.WriteLine("*** token canceled"));

// start a task that sends a cancel after 500 ms
new Task(() =>
{
    Thread.Sleep(500);
    cts.Cancel(false);
}).Start();

try
{
    ParallelLoopResult result =
    Parallel.For(0, 100,
    new <strong>ParallelOptions</strong>()
    {
        CancellationToken = cts.Token,
    },
    x =>
    {
        Console.WriteLine("loop {0} started", x);
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < 100; i++)
        {
            Thread.Sleep(2);
            sum += i;
        }
        Console.WriteLine("loop {0} finished", x);
    });
}
catch (OperationCanceledException ex)
{
    Console.WriteLine(ex.Message);
}

八、Handel Exceptions異常處理

在處理并行循環(huán)的異常的與順序循環(huán)異常的處理是有所不同的,并行循環(huán)里面可能會一個異常在多個循環(huán)中出現(xiàn),或則一個線程上的異常導(dǎo)致另外一個線程上也出現(xiàn)異常。比較好的處理方式就是，首先獲取所有的異常最后通過AggregateException來包裝所有的循環(huán)的異常，循環(huán)結(jié)束后進行throw。看一段示例代碼：

private void HandleNumbers(int[] numbers)
{
    var exceptions = new ConcurrentQueue<Exception>();
    Parallel.For(0, numbers.Length, i => 
    {
        try
        {
            if (numbers[i] > 10 && numbers[i] < 20)
            {
                throw new Exception(String.Format("numbers[{0}] betwewn 10 to 20",i));
            }
        }
        catch (Exception e)
        {
            exceptions.Enqueue(e);
        }
    });
   
if (exceptions.Count > 0) throw new AggregateException(exceptions); }

測試方法：

public void HandleExceptions()
{
    var numbers = Enumerable.Range(0, 10000).ToArray();
    try
    {
        this.HandleNumbers(numbers);
    }
    catch(AggregateException exceptions)
    {
        foreach (var ex in exceptions.InnerExceptions)
        {
            Console.WriteLine(ex.Message);
        }
    }
}

對上面的方法說明下，在HandleNumbers方法中，就是一個小的demo如果元素的值出現(xiàn)在10-20之間就拋出異常。在上面我們的處理方法就是：在循環(huán)時通過隊列將所有的異常都集中起來，循環(huán)結(jié)束后來拋出一個AggregateException。

到此這篇關(guān)于C#并行編程之數(shù)據(jù)并行Tasks.Parallel類的文章就介紹到這了。希望對大家的學(xué)習有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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