C#并发编程-1 并发编程概述

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所属分类:.NET技术
摘要

并发和并行的概念:                它只能把CPU运行时间划分成若干个时间段,再将时间段分配给各个线程执行,在一个时间段的线程代码运行时,其它线程处于挂起状态。


一 并发编程简介

1.1 关于并发和并行

并发和并行的概念:

  • 并发:(Concurrent),在某个时间段内,如果有多个任务执行,即有多个线程在操作时,如果系统只有一个CPU,则不能真正同时进行一个以上的线程,

                它只能把CPU运行时间划分成若干个时间段,再将时间段分配给各个线程执行,在一个时间段的线程代码运行时,其它线程处于挂起状态。

  • 并行:(Parallel),当系统有一个以上CPU时,则线程的操作有可能非并发。

                当一个CPU执行一个线程时,另一个CPU可以执行另一个线程,两个线程互不抢占CPU资源,可以同时进行。

并发和并行是即相似又有区别的两个概念:

  • 并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生;
  • 并行是指两个或者多个事件在同一时刻发生。

1.2 关于并发编程和并行编程

并发编程的形式:

  • 多线程编程:使用多个线程执行程序;
  • 响应式编程。
  • 异步编程:APM,EAP,TAP。推荐使用 async await关键字的TAP ( Task-based Asynchronous Pattern );

并行编程:把正在执行的大量任务分割成小块,分配个多个同时运行的线程,让它们在不同的核上独立运行。让处理器的利用效率最大化。

 

二 异步编程简介

2.1 async await关键字

现代的异步.Net程序使用两个关键字,async和await。async关键字加在方法声明上,它的主要目的是使方法内的await关键字生效。

如果async方法有返回值,应返回Task<T>,如果没有返回值,应返回Task。Task类型相当于future,用来在异步方法结束时通知调用程序。

一个异步方法例子:

async Task MethodAsync()  {     var i = 10;     await Task.Delay(1000);     i++;     await Task.Delay(1000);     Trace.WriteLine(i); }

async方法在开始时以同步方式执行。在async方法内部,await关键字对它的参数执行一个异步等待。

它首先检测操作是否已经完成,如果完成了,就继续以同步方式运行,否则会暂停方法,并返回,留下一个未完成的Task。

一段时间后,操作完成,async方法就恢复,从await出继续往下执行。

 2.2 ConfigureAwait ( )

一个 async 方法是由多个同步执行的程序块组成的,每个同步程序块之间由 await 语句分隔。

第一个同步程序块在调用这个方法的线程中运行,那await之后的同步程序块在哪个线程运行呢?

一个常见的情况是,用 await 语句等待一个任务完成,当该方法在 await 处暂停时,就可以捕捉上下文(context)。

如果当前 SynchronizationContext 不为空,这个上下文就是当前SynchronizationContext。如果当前 SynchronizationContext 为空,则这个上下文为当前TaskScheduler。

该方法会在这个上下文中继续运行。一般来说,运行 UI 线程时采用 UI 上下文,处理 ASP.NET 请求时采用 ASP.NET 请求上下文,其他很多情况下则采用线程池上下文。

因此,在上面的代码中,每个同步程序块会试图在原始的上下文中恢复运行。如果在 UI线程中调用 MethodAsync,这个方法的每个同步程序块都将在此 UI 线程上运行。但

是,如果在线程池线程中调用,每个同步程序块将在线程池线程上运行。

要控制这种行为,可以在 await 中使用 ConfigureAwait 方法,将参数 continueOnCapturedContext设为 false。接下来的代码刚开始会在调用的线程里运行,在被 await 暂停后,

则会在线程池线程里继续运行。

async Task MethodAsync()  {     //在调用线程运行     var i = 10;     await Task.Delay(1000).ConfigureAwait(false);     //在线程池线程运行     i++;     await Task.Delay(1000);     Trace.WriteLine(i); }

 2.3 异常处理

使用async await时,自然要处理异常。一旦异步方法抛出异常,该异常会放在返回的 Task 对象中,并且这个 Task对象的状态变为“已完成”。

当 await 调用该 Task 对象时,await 会获得并(重新)抛出该异常,并且保留着原始的栈轨迹。

async Task MethodAsync()  {     //发生异常时,任务结束,不会直接抛出异常。     var task = ThrowExceptionAsync();     try     {         //await时,抛出异常         await task;     }     catch (Exception ex)     {         Trace.WriteLine(ex.StackTrace);     } }  async Task ThrowExceptionAsync()  {     await Task.Delay(1000);     throw new Exception("ThrowExceptionAsync"); }

2.4 一旦在代码中使用了异步,最好一直使用

关于异步方法,还有一条重要的准则:一旦在代码中使用了异步,最好一直使用。调用异步方法时,应该(在调用结束时)用 await 等待它返回的 task 对象。

一定要避免使用Task.Wait 或 Task<T>.Result 方法,因为它们会导致死锁。参考一下下面这个方法:

void Deadlock() {     // 开始延迟     Task task = WaitAsync();     // 同步程序块,正在等待异步方法完成     task.Wait(); } async Task WaitAsync() {     // 这里 awati 会捕获当前上下文     await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(1));     // 这里会试图用上面捕获的上下文继续执行 }

如果从 UI 或 ASP.NET 的上下文调用这段代码,就会发生死锁。这是因为,这两种上下文每次只能运行一个线程。Deadlock 方法调用 WaitAsync 方法,WaitAsync 方法开始调用delay 语句。

然后,Deadlock 方法(同步)等待 WaitAsync 方法完成,同时阻塞了上下文线程。当 delay 语句结束时,await 试图在已捕获的上下文中继续运行 WaitAsync 方法,但这个步骤无法成功,

因为上下文中已经有了一个阻塞的线程,并且这种上下文只允许同时运行一个线程。

这里有两个方法可以避免死锁:

在 WaitAsync 中使用 ConfigureAwait(false)(导致 await 忽略该方法的上下文),

或者用 await 语句调用 WaitAsync 方法(让 Deadlock变成一个异步方法)。

 

三 并行编程简介

如果程序中有大量的计算任务,并且这些任务能分割成几个互相独立的任务块,可以考虑使用并行编程。并行编程可临时提高 CPU 利用率,以提高吞吐量。

并行的形式有两种:

  • 数据并行(data parallelism):有大量的数据需要处理,并且每一块数据的处理过程基本上是彼此独立的。

  • 任务并行(task parallelim):需要执行大量任务,并且每个任务的执行过程基本上是彼此独立的。任务并行可以是动态的,如果一个任务的执行结果会产生额外的任务,这些新增的任务也可以加入任务池。

3.1 数据并行

实现数据并行有几种不同的做法。

一种做法是使用 Parallel.ForEach 方法,它类似于foreach 循环,应尽可能使用这种做法。

Parallel 类也提供 Parallel.For 方法,这类似于 for 循环,当数据处理过程基于一个索引时,可使用这个方法。

另一种做法是使用 PLINQ(Parallel LINQ), 它为 LINQ 查询提供了 AsParallel 扩展。

与PLINQ 相比,Parallel 对资源更加友好,Parallel 与系统中的其他进程配合得比较好 , 而PLINQ 会试图让所有的 CPU 来执行本进程。

//Parallel.ForEach void RotateMatrices(IEnumerable<Matrix> matrices, float degrees) {     Parallel.ForEach(matrices, matrix => matrix.Rotate(degrees)); }  //PLINQ IEnumerable<bool> PrimalityTest(IEnumerable<int> values) {     return values.AsParallel().Select(val => IsPrime(val)); }

不管选用哪种方法,在并行处理时有一个非常重要的准则。只要任务块是互相独立的,并行性就能做到最大化。

一旦在多个线程中共享状态,就必须以同步方式访问这些状态,那样程序的并行性就变差了。

有多种方式可以控制并行处理的输出。可以把结果存在某些并发集合,或者对结果进行聚合。

3.2 任务并行

任务并行关注执行任务,Parallel 类的 Parallel.Invoke 方法可以以 分叉 / 联合”(fork/join)的方式的使任务并行。

调用该方法时,把要并行执行的委托(delegate)作为传入参数:

void ProcessArray(double[] array) {     Parallel.Invoke(     () => ProcessPartialArray(array, 0, array.Length / 2),     () => ProcessPartialArray(array, array.Length / 2, array.Length)     ); } void ProcessPartialArray(double[] array, int begin, int end) {     // CPU 密集型的操作…… }

任务并行也强调任务块的独立性。委托(delegate)的独立性越强,程序的执行效率就越高。

 

 四 并发编程的集合

并发编程所用到的集合有两类:

  • 并发集合;
  • 不可变集合。

4.1 并发集合

多个线程可以用安全的方式同时更新并发集合。大多数并发集合使用快照snapshot),

当一个线程在增加或删除数据时,另一个线程也能枚举数据。比起给常规集合加锁以保护数据的方式,采用并发集合的方式要高效得多。

4.2 不可变集合

不可变集合实际上是无法修改的。要修改一个不可变集合,需要建立一个新的集合来代表这个被修改了的集合。