探究Visual Studio 2010中Parallel的使用

之前51cto曾经报道过关于Visual Studio 2010中Parallel类实现并行计算，本文我们主要分析如何利用Parallel.For和Parallel.ForEach函数来并行化for循环和foreach循环。实际上，Parallel.For和Parallel.ForEach函数主要是针对“并行数据”的并行化操作，所谓并行数据，就是整个数据集中数据单元是相互独立的，可以同时进行处理。

在实际开发中，我们遇到的可以并行处理的不仅包括“并行数据”，还包括可以同时进行的“并行逻辑”。所谓“并行逻辑”，就是相互独立，可以同时执行的多个任务。比如，程序员陈良乔每天早上要做两件事情：烧水洗脸和锻炼身体。这两件事情就是相互独立可以并行的，也就是说他在烧水的时候可以同时锻炼身体。在以前的单核时代，CPU在同一时间只能完成一件事情，那么陈良乔只能先烧水后锻炼，或者是先锻炼后烧水，这导致他上班总是迟到。

进入多核时代，CPU可以在同一时间完成多件事情了，借助.Net Framework 4.0中的Parallel类，我们可以方便地处理“并行逻辑”。现在，程序员陈良乔可以一边锻炼一边烧水，再也没有迟到过了。他逢人便说：“Parallel真是个好东西!自从用了它，我腰也不酸了，背也不疼了，编程更有劲儿了”

使用Parallel.Invoke处理并行逻辑

跟Parallel.For函数相似，Parallel.Invoke也是Parallel类的一个静态函数，它可以接受一个Action[]类型的对象作为参数，这个对象，就是我们要执行的任务。系统会根据代码运行的硬件环境，主要是CPU运算核心的个数，自动地进行线程的创建和分配。这有些类似于我们所熟悉的多线程开发，通过为每个线程指定一个线程函数而让多个任务同时进行，只是Parallel.Invoke函数简化了线程的创建和分配等繁琐的动作，我们只需要提供核心的线程函数就可以了。下面我们来看一个实际的例子。在上文中，我们介绍了程序员陈良乔起床的例子，在以前的单核时代，他起床大约是这个样子的：

// 串行式起床  
private static void GetUp()  
{  
    Start("GetUp");  
    // 先烧水  
    boil();  
    // 后锻炼  
    exercise();  
    End("GetUp");  
}  
 
 
// 锻炼  
private static void exercise()  
{  
    Console.WriteLine("Exercise");  
    Thread.Sleep(2000);  
    Console.WriteLine("Finish Exercise");  
}  
 
// 烧水  
private static void boil()  
{  
    Console.WriteLine("Boil");  
    Thread.Sleep(3000);  
    Console.WriteLine("Finish Boil");  
} 

 在单核时代，CPU在同一时间只能做一件事情，所以他只能先烧水，后锻炼，这样显然会耽误时间。一天，他又因为这事而迟到了，老板骂道，“你是猪啊，你不会用Parallel.Invoke一边烧水一边锻炼啊？”于是，有了下面的并行式起床：

// 并行式起床  
private static void ParallelGetUp()  
{  
    Start("ParallelGetUp");  
    // 在烧水的同时，锻炼身体  
    var steps = new Action[] { () => boil(), () => exercise() };  
    Parallel.Invoke(steps);  
    End("ParallelGetUp");  
} 

通过Parallel.Invoke函数，我们将一些相互独立的任务同时执行，实现了“并行逻辑”，也大大地提高了应用程序的性能和效率。从下面的截图中，我们可以明显地看出两种方式的差别。串行方式所耗费的时间，是两个步骤的时间总和，而并行方式所耗费的时间，大约是单个任务的耗时最长的哪一个。

 
图1 串行和并行的执行情况

#p#
对Parallel.Invoke进行控制

Parallel.Invoke提供了一个重载版本，它可以接受一个ParallelOptions对象作为参数，对Parallel.Invoke的执行进行控制。通过这个对象，我们可以控制并行的最大线程数，各个任务是否取消执行等等。例如，在一个智能化的家中，系统会判断主人是否离开房间，如果主人离开了房间，则自动关闭屋子里的各种电器。利用Parallel.Invoke我们可以实现如下：

public static void PInvokeCancel()  
{  
// 创建取消对象  
CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();  
// 利用取消对象，创建ParallelOptions  
ParallelOptions pOption = new ParallelOptions() { CancellationToken = cts.Token };  
// 设置最大线程数  
pOption.MaxDegreeOfParallelism = 2;  
 
// 创建一个守护监视进程  
Task.Factory.StartNew(() => 
{  
Console.WriteLine("Cancellation in 5 sec.");  
Thread.Sleep(5000);  
// 取消，结束任务的执行  
cts.Cancel();  
Console.WriteLine("Canceled requested");  
});  
 
try  
{  
// 以ParallelOptions作为参数，  
// 调用Parallel.Invoke  
Parallel.Invoke(pOption, () => ShutdownLights(pOption.CancellationToken),  
() => ShutdownComputer(pOption.CancellationToken));  
 
//输出执行结果  
Console.WriteLine("Lights and computer are tuned off.");  
}  
catch (Exception e)  
{  
Console.WriteLine(e.Message);  
}  
}  
 
private static void ShutdownLights(CancellationToken token)  
{  
while (!token.IsCancellationRequested)  
{  
Console.WriteLine("Light is on. " );  
Thread.Sleep(1000);  
}  
 
}  
private static void ShutdownComputer(CancellationToken token)  
{  
while (!token.IsCancellationRequested)  
{  
Console.WriteLine("Computer is on." );  
Thread.Sleep(1000);  
}  
} 

除了这种方式之外，ParallelOptions更多地应用在取消任务队列中还未来得及执行的任务。当我们限制了最大并发线程数的时候，如果需要通过Parallel.Invoke执行的任务较多，则有可能部分任务在队列中排队而得不到及时的执行，如果到了一定的条件这些任务还没有执行，我们可能取消这些任务。一个恰当的现实生活中的例子就是火车站买票。火车站买票的人很多，但是售票的窗口有限，当到了下班时间后，窗口就不再售票了，也就是剩下的售票任务需要取消掉。我们可以用下面的代码来模拟这样一个场景：

public static void PInvokeCancel()  
 
{  
 
// 创建取消对象  
 
CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();  
 
// 利用取消对象，创建ParallelOptions  
 
ParallelOptions pOption = new ParallelOptions() { CancellationToken = cts.Token };  
 
// 设置最大线程数，也就相当于20个售票窗口  
 
pOption.MaxDegreeOfParallelism = 20;  
 
// 创建一个守护监视进程  
 
// 当到下班时间后就取消剩下的售票活动  
 
Task.Factory.StartNew(() => 
 
{  
 
Console.WriteLine("Cancellation in 5 sec.");  
 
Thread.Sleep(5000);  
 
// 取消，结束任务的执行  
 
cts.Cancel();  
 
Console.WriteLine("Canceled requested");  
 
});  
 
try  
 
{  
 
// 创建售票活动  
 
Action[] CustomerServices = CreateCustomerService(1000);  
 
// 以ParallelOptions作为参数，  
 
// 调用Parallel.Invoke  
 
Parallel.Invoke(pOption, CustomerServices);  
 
}  
 
catch (Exception e)  
 
{  
 
// 当任务取消后，抛出一个异常  
 
Console.WriteLine(e.Message);  
 
}  
 
}  
 
// 创建售票的活动  
 
static Action[] CreateCustomerService(int n)  
 
{  
 
Action[] result = new Action[n];  
 
for (int i = 0; i < n; i++)  
 
{  
 
result[i] = () => 
 
{  
 
Console.WriteLine("Customer Service {0}", Task.CurrentId);  
 
// 模拟售票需要的时间  
 
Thread.Sleep(2000);  
 
};  
 
}  
 
return result;  
 
} 

#p#
并行任务之间的同步

有时候我们在处理并行任务的时候，各个任务之间需要同步，也就是同时执行的并行任务，需要在共同到达某一个状态的后再一共继续执行。我们可以举一个现实生活中的例子。陈良乔，贾玮和单春晖是好朋友，他们相约到电影院看《建国大业》。他们三个住在不同的地方，为了能一起买票进电影院，他们约好先在电影院门口的KFC会合，然后再一起进电影院。这其中就涉及到一个同步的问题：他们需要先在KFC会合。他们是从家里分别到KFC的，但是需要在KFC进行同步，等到三个人都到齐后在完成后后继的动作，进电影院看电影。

为了完成并行任务之间的同步，.NET Framework中提供了一个类Barrier。顾名思义，Barrier就像一个关卡或者是剪票口一样，通过Barrier类，我们可以管理并行任务的执行，完成他们之间的同步。Barrier类的使用非常简单，我们只需要在主线程中声明一个Barrier对象，同时指明需要同步的任务数。然后，在需要进行同步的地方调用Barrier类的SignalAndWait函数就可以了。 当一个并行任务到达SignalAndWait后，它会暂停执行，等待所有并行任务都到达同步点之后再继续往下执行。下面我们以一个实际的例子，来看看如何利用Barrier类完成看电影的同步问题。

using System;  
using System.Collections.Generic;  
using System.Linq;  
using System.Text;  
using System.Threading;  
using System.Threading.Tasks;  
 
namespace ParallelBarrier  
 
{  
 
class Program  
 
{  
 
// 用于同步的Barrier对象  
 
static Barrier sync;  
 
static void Main(string[] args)  
 
{  
 
// 创建Barrier对象，这里我们需要同步  
 
// 任务有三个  
 
sync = new Barrier(3);  
 
// 开始执行并行任务  
 
var steps = new Action[] { () => gotothecinema("陈良乔", TimeSpan.FromSeconds(5) ),  
 
() => gotothecinema("贾玮", TimeSpan.FromSeconds(2) ),  
 
() => gotothecinema("单春晖", TimeSpan.FromSeconds(4) )};  
 
Parallel.Invoke(steps);  
 
Console.ReadKey();  
 
}  
 
// 任务  
 
static void gotothecinema(string strName, TimeSpan timeToKFC )  
 
{  
 
Console.WriteLine("[{0}] 从家里出发。", strName);  
 
// 从家里到KFC  
 
Thread.Sleep(timeToKFC);  
 
Console.WriteLine("[{0}] 到达KFC。", strName);  
 
// 等待其他人到达  
 
sync.SignalAndWait();  
 
// 同步后，进行后继动作  
 
Console.WriteLine("[{0}] 买票进电影院。", strName);  
 
}  
 
}  
 
} 

在这段代码中，我们首先创建了Barrier对象，因为在这里需要同步的任务有三个，所以创建Barrier对象时是的参数是3。然后就是使用Parallel.Invoke执行并行任务。我们在并行任务gotothecinema中设置了一个同步点，在这里我们调用Barrier对象的SignalAndWait函数，它表示当前任务已经到达同步点并同时等待其他任务到达同步点。当所有任务都到达同步点之后，再继续往下执行。运行上面的程序，我们可以获得这样的输出：

 
图2 使用Barrier进行同步

#p#
更复杂的任务之间的同步

我们在使用Barrier进行并行任务之间的同步时，有这样一个缺陷，我们需要预先知道所有需要同步的并行任务的数目，如果这个数目是随机的，就无法使用Barrier进行任务之间的同步了。并行任务数目不定这种情况很常见。我们还是来看上文中看电影的例子，每场进电影院看电影的观众数目是不固定的，那么退场的观众也是不固定的，甚至还有中途退场的。当所有观众都退场后，我们需要打扫电影院的卫生。这里需要的同步的就是所有观众都退场。针对这种数目不定的多个并行任务，.NET Framework提供了CountdownEvent这个类来进行任务之间的同步。

就像它的名字一样，CountdownEvent基于这样一个简单的规则：当有新的需要同步的任务产生时，就调用AddCount增加它的计数，当有任务到达同步点是，就调用Signal函数减小它的计数，当CountdownEvent的计数为零时，就表示所有需要同步的任务已经完成，可以开始下一步任务了。下面我们利用CountdownEvent来模拟一下观众进场立场的情景。

using System;  
using System.Collections.Generic;  
using System.Linq;  
using System.Text;  
using System.Threading;  
using System.Threading.Tasks;  
   
 namespace CountdownEventDemo  
 
{  
   
 // 观众类，用来表示一位观众  
 
class Customer  
 
{  
 
public Customer(int nID)  
 
{  
 
m_nID = nID;  
   
}  
 
// 观众的ID  
 
public int m_nID;  
 
}  
 
class Program  
 
{  
 
static void Main(string[] args)  
 
{  
 
 // 创建CountdownEvent同步对象  
 
 using (var countdown = new CountdownEvent(1))  
 
{  
 
// 产生一个随机数，表示观众的数目  
 
Random countRandom = new Random(DateTime.Now.Millisecond);  
 
int nCount = countRandom.Next(10);  
 
// 构造每一位观众看电影的任务  
 
Action[] seeafilm = new Action[ nCount ];  
 
for (int i = 0; i < nCount; i++)  
 
{  
 
// 构造Customer对象，表示观众  
 
Customer currentCustomer = new Customer( i+1 );  
 
seeafilm[i] = () => 
 
{  
 
// 观众进场  
 
countdown.AddCount();  
 
 Console.WriteLine("观众 {0} 进场。", currentCustomer.m_nID);  
 
 // 模拟看电影的时间  
 
Thread.Sleep(countRandom.Next(3000,6000));  
 
// 观众退场  
 
countdown.Signal();  
 
Console.WriteLine("观众 {0} 退场。", currentCustomer.m_nID);  
 
};  
 
 }  
 
//并行执行任务  
 
Parallel.Invoke( seeafilm );  
 
// 在此同步，最后CountdownEvent的计数变为零  
 
countdown.Signal();  
 
countdown.Wait();  
 
}  
 
Console.WriteLine("所有观众退场，开始打扫卫生。");  
 
Console.ReadKey();  
 
} 

在这段代码中，我们使用CountdownEvent进行随机个数任务之间的同步。最后，我们可以得到这样的输出。

 
图3 使用CountdownEvent进行同步

通过Parallel.Invoke函数，我们可以轻松地将相互独立的任务并行执行，同时通过Barrier和CountdownEvent类进行任务之间的同步。这种并行计算的开发方式，比以前那种基于线程的并行计算开发方式简便很多，解放了程序员的脑袋，让他们可以把更多的脑力放到业务逻辑问题的解决之上。使用Parallel类，多快好省地开发并行计算应用程序。
 

【编辑推荐】

1. 教你如何用好Visual Studio 2010层次验证
2. 关注Visual Studio 2010中代码提示的改进
3. 细数VS 2003到Visual Studio 2010的开发之路
4. Visual Studio 2010中Silverligh实现页面动态装配
5. Visual Studio 2010敏捷利剑：详解Scrum