C#并行編程之Task同步機制
在并行計算中，不可避免的會碰到多個任務共享變量，實例，集合。雖然task自帶了兩個方法：task.ContinueWith()和Task.Factory.ContinueWhenAll()來實現(xiàn)任務串行化，但是這些簡單的方法遠遠不能滿足我們實際的開發(fā)需要，從.net 4.0開始，類庫給我們提供了很多的類來幫助我們簡化并行計算中復雜的數(shù)據(jù)同步問題。
一、隔離執(zhí)行：不共享數(shù)據(jù)，讓每個task都有一份自己的數(shù)據(jù)拷貝。
對數(shù)據(jù)共享問題處理的方式是“分離執(zhí)行”，我們通過把每個Task執(zhí)行完成后的各自計算的值進行最后的匯總，也就是說多個Task之間不存在數(shù)據(jù)共享了，各自做各自的事，完全分離開來。
1、傳統(tǒng)方式
每個Task執(zhí)行時不存在數(shù)據(jù)共享了，每個Task中計算自己值，最后我們匯總每個Task的Result。我們可以通過Task中傳遞的state參數(shù)來進行隔離執(zhí)行：
int Sum = 0;
Task<int>[] tasks = new Task<int>[10];
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
tasks[i] = new Task<int>((obj) =>
{
var start = (int)obj;
for (int j = 0; j < 1000; j++)
{
start = start + 1;
}
return start;
}, Sum);
tasks[i].Start();
}
Task.WaitAll(tasks);
for (var i = 0; i < 10; i++)
{
Sum += tasks[i].Result;
}
Console.WriteLine("Expected value {0}, Parallel value: {1}", 10000, Sum);2、ThreadLocal類
在.Net中提供了System.Threading.ThreadLocal來創(chuàng)建分離。
ThreadLocal是一種提供線程本地存儲的類型，它可以給每個線程一個分離的實例，來提供每個線程單獨的數(shù)據(jù)結(jié)果。上面的程序我們可以使用TreadLocal：
int Sum = 0;
Task<int>[] tasks = new Task<int>[10];
var tl = new ThreadLocal<int>();
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
tasks[i] = new Task<int>((obj) =>
{
tl.Value = (int)obj;
for (int j = 0; j < 1000; j++)
{
tl.Value++;
}
returntl.Value;
}, Sum);
tasks[i].Start();
}
Task.WaitAll(tasks);
for (var i = 0; i < 10; i++)
{
Sum += tasks[i].Result;
}
Console.WriteLine("Expected value {0}, Parallel value: {1}", 10000, Sum);但是我們要注意的一點TreadLocal是針對每個線程的，不是針對每個Task的。一個Tread中可能有多個Task。
ThreadLocal類舉例：
static ThreadLocal<string> local;
static void Main()
{
//創(chuàng)建ThreadLocal并提供默認值
local = new ThreadLocal<string>(() => "hehe");
//修改TLS的線程
Thread th = new Thread(() =>
{
local.Value = "Mgen";
Display();
});
th.Start();
th.Join();
Display();
}
//顯示TLS中數(shù)據(jù)值
static void Display()
{
Console.WriteLine("{0} {1}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, local.Value);
}二、同步類型：通過調(diào)整task的執(zhí)行，有序的執(zhí)行task。
同步類型是一種用來調(diào)度Task訪問臨界區(qū)域的一種特殊類型。在.Net 4.0中提供了多種同步類型給我們使用，主要分為：輕量級的、重量級的和等待處理型的，在下面我們會介紹常用的同步處理類型。
常用的同步類型
首先來看看.Net 4.0中常見的幾種同步類型以及處理的相關(guān)問題：
同步類型以及解決問題
- lock關(guān)鍵字、Montor類、SpinLock類：有序訪問臨界區(qū)域
- Interlocked類：數(shù)值類型的增加或則減少
- Mutex類：交叉同步
- WaitAll方法：同步多個鎖定（主要是Task之間的調(diào)度）
- 申明性的同步（如Synchronization）：使類中的所有的方法同步
1、Lock鎖
其實最簡單同步類型的使用辦法就是使用lock關(guān)鍵字。在使用lock關(guān)鍵字時，首先我們需要創(chuàng)建一個鎖定的object，而且這個object需要所有的task都能訪問，其次能我們需要將我們的臨界區(qū)域包含在lock塊中。我們之前例子中代碼可以這樣加上lock:
int Sum = 0;
Task[] tasks = new Task[10];
var obj = new Object(); for (int i = 0; i < 10; i++)
{
tasks[i] = new Task(() =>
{
for (int j = 0; j < 1000; j++)
{
lock (obj)
{ Sum = Sum + 1; }
}
});
tasks[i].Start();
}
Task.WaitAll(tasks);
Console.WriteLine("Expected value {0}, Parallel value: {1}", 10000, Sum);其實lock關(guān)鍵字是使用Monitor的一種簡短的方式，lock關(guān)鍵字自動通過調(diào)用Monitor.Enter\Monitor.Exit方法來處理獲得鎖以及釋放鎖。
2、Interlocked 聯(lián)鎖
Interlocked通過使用操作系統(tǒng)或則硬件的一些特性提供了一些列高效的靜態(tài)的同步方法。其中主要提供了這些方法：Exchange、Add、Increment、CompareExchange四種類型的多個方法的重載。我們將上面的例子中使用Interlocked:
int Sum = 0;
Task[] tasks = new Task[10];
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
tasks[i] = new Task(() =>
{
for (int j = 0; j < 1000; j++)
{
Interlocked.Increment(ref Sum);
}
});
tasks[i].Start();
}
Task.WaitAll(tasks);
Console.WriteLine("Expected value {0}, Parallel value: {1}", 10000, Sum);3、Mutex互斥體
Mutex也是一個同步類型，在多個線程進行訪問的時候，它只向一個線程授權(quán)共享數(shù)據(jù)的獨立訪問。我們可以通過Mutex中的WaitOne方法來獲取Mutex的所有權(quán)，但是同時我們要注意的是，我們在一個線程中多少次調(diào)用過WaitOne方法，就需要調(diào)用多少次ReleaseMutex方法來釋放Mutex的占有。上面的例子我們通過Mutex這樣實現(xiàn)：
int Sum = 0;
Task[] tasks = new Task[10];
var mutex = new Mutex();
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
tasks[i] = new Task(() =>
{
for (int j = 0; j < 1000; j++)
{
bool lockAcquired = mutex.WaitOne(); try
{
Sum++;
}
finally
{
if (lockAcquired) mutex.ReleaseMutex();
}
}
});
tasks[i].Start();
}
Task.WaitAll(tasks);
Console.WriteLine("Expected value {0}, Parallel value: {1}", 10000, Sum);三、申明性同步
我們可以通過使用Synchronization 特性來標識一個類，從而使一個類型的字段以及方法都實現(xiàn)同步化。在使用Synchronization 時，我們需要將我們的目標同步的類繼承于System.ContextBoundObject類型。我們來看看之前的例子我們同步標識Synchronization 的實現(xiàn)：
static void Main(string[] args)
{
var sum = new SumClass();
Task[] tasks = new Task[10];
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
tasks[i] = new Task(() =>
{
for (int j = 0; j < 1000; j++)
{
sum.Increment();
}
});
tasks[i].Start();
}
Task.WaitAll(tasks);
Console.WriteLine("Expected value {0}, Parallel value: {1}", 10000, sum.GetSum());
}
[Synchronization]
class SumClass : ContextBoundObject
{
private int _Sum;
public void Increment()
{
_Sum++;
}
public int GetSum()
{
return _Sum;
}
}四、并發(fā)集合
當多個線程對某個非線程安全容器并發(fā)地進行讀寫操作時，這些操作將導致不可預估的后果或者會導致報錯。為了解決這個問題我們可以使用lock關(guān)鍵字或者Monitor類來給容器上鎖。但鎖的引入使得我們的代碼更加復雜，同時也帶來了更多的同步消耗。而.NET Framework 4提供的線程安全且可拓展的并發(fā)集合能夠使得我們的并行代碼更加容易編寫，此外，鎖的使用次數(shù)的減少也減少了麻煩的死鎖與競爭條件的問題。.NET Framework 4主要提供了如下幾種并發(fā)集合：BlockingCollection，ConcurrentBag，ConcurrentDictionary，ConcurrentQueue，ConcurrentStack。這些集合通過使用一種叫做比較并交換(compare and swap, CAS)指令和內(nèi)存屏障的技術(shù)來避免使用重量級的鎖。
在.Net 4.0中提供了很多并發(fā)的集合類型來讓我們處理數(shù)據(jù)同步的集合的問題，這里面包括：
1.ConcurrentQueue：提供并發(fā)安全的隊列集合，以先進先出的方式進行操作；
2.ConcurrentStack：提供并發(fā)安全的堆棧集合，以先進后出的方式進行操作；
3.ConcurrentBag：提供并發(fā)安全的一種無序集合；
4.ConcurrentDictionary：提供并發(fā)安全的一種key-value類型的集合。
我們在這里只做ConcurrentQueue的一個嘗試，并發(fā)隊列是一種線程安全的隊列集合，我們可以通過Enqueue()進行排隊、TryDequeue()進行出隊列操作：
for (var j = 0; j < 10; j++)
{
var queue = new ConcurrentQueue<int>();
var count = 0;
for (var i = 0; i < 1000; i++)
{
queue.Enqueue(i);
}
var tasks = new Task[10];
for (var i = 0; i < tasks.Length; i++)
{
tasks[i] = new Task(() =>
{
while (queue.Count > 0)
{
int item;
var isDequeue = queue.TryDequeue(out item);
if (isDequeue) Interlocked.Increment(ref count);
}
});
tasks[i].Start();
}
try
{
Task.WaitAll(tasks);
}
catch (AggregateException e)
{
e.Handle((ex) =>
{
Console.WriteLine("Exception Message:{0}", ex.Message);
return true;
});
}
Console.WriteLine("Dequeue items count :{0}", count);
}五、Barrier（屏障同步）
barrier叫做屏障，就像下圖中的“紅色線”，如果我們的屏障設為4個task就認為已經(jīng)滿了的話，那么執(zhí)行中先到的task必須等待后到的task，通知方式也就是barrier.SignalAndWait()，屏障中線程設置操作為new Barrier(4,(i)=>{})。SignalAndWait給我們提供了超時的重載，為了能夠取消后續(xù)執(zhí)行
//四個task執(zhí)行
static Task[] tasks = new Task[4];
static Barrier barrier = null;
static void Main(string[] args)
{
barrier = new Barrier(tasks.Length, (i) =>
{
Console.WriteLine("**********************************************************");
Console.WriteLine("\n屏障中當前階段編號:{0}\n", i.CurrentPhaseNumber);
Console.WriteLine("**********************************************************");
});
for (int j = 0; j < tasks.Length; j++)
{
tasks[j] = Task.Factory.StartNew((obj) =>
{
var single = Convert.ToInt32(obj);
LoadUser(single);
barrier.SignalAndWait();
LoadProduct(single);
barrier.SignalAndWait();
LoadOrder(single);
barrier.SignalAndWait();
}, j);
}
Task.WaitAll(tasks);
Console.WriteLine("指定數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)已經(jīng)加載完畢！");
Console.Read();
}
static void LoadUser(int num)
{
Console.WriteLine("當前任務:{0}正在加載User部分數(shù)據(jù)！", num);
}
static void LoadProduct(int num)
{
Console.WriteLine("當前任務:{0}正在加載Product部分數(shù)據(jù)！", num);
}
static void LoadOrder(int num)
{
Console.WriteLine("當前任務:{0}正在加載Order部分數(shù)據(jù)！", num);
}
到此這篇關(guān)于C#并行編程之Task同步機制的文章就介紹到這了。希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。
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