.NET4.0并行計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)(7)new

1、.NET4.0并行計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)（7） 呵呵，越到國(guó)慶反而越忙，好多天沒更新了，工作第一天，貼出一篇新文。 金旭亮 2009.10.9=19.3.4任務(wù)并行庫(kù)原理初探在上一小節(jié)中，我們看到只需簡(jiǎn)單地調(diào)用Parallel類中的一些靜態(tài)方法，就可以讓代碼并行執(zhí)行。您一定會(huì)對(duì)任務(wù)并行庫(kù)的強(qiáng)大功能有了很深的印象，一些喜歡刨根問底的讀者可能會(huì)問：任務(wù)并行庫(kù)怎樣實(shí)現(xiàn)代碼的并行執(zhí)行？任務(wù)并行庫(kù)的底層技術(shù)細(xì)節(jié)很復(fù)雜，要介紹它超出了本書的范疇，然而，對(duì)其工作原理作一個(gè)介紹是可能的，了解這些知識(shí)，對(duì)于開發(fā)并行程序而言是很有益的。1 并行指令的生成軟件工程師使用Paralllel類編寫的并行算法，經(jīng)過編譯器的處理，會(huì)

2、全部轉(zhuǎn)換為對(duì)Task類相應(yīng)方法和屬性的調(diào)用指令，這些指令被保存到編譯好的程序集中。Task類的實(shí)例代表一個(gè)可以被并行執(zhí)行的任務(wù)，任務(wù)（而不是線程！）是TPL實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算的基本單位。2任務(wù)并行庫(kù)的工作原理任務(wù)由線程負(fù)責(zé)執(zhí)行，為了獲取較高的性能，TPL使用線程池中的線程，并且使用了一個(gè)與線程池直接集成的“任務(wù)調(diào)度器（Task Scheduler）”來負(fù)責(zé)分派工作任務(wù)給線程，這個(gè)調(diào)度器使用的任務(wù)分派策略稱為“Work-stealing”。如圖1916所示，線程池中的每個(gè)線程都擁有一個(gè)專有的（本地的）任務(wù)隊(duì)列，當(dāng)線程創(chuàng)建任務(wù)（即Task類的實(shí)例）時(shí)，默認(rèn)設(shè)置下，這些任務(wù)被放入了線程本地工作隊(duì)列中。如果

3、任務(wù)本身是通過調(diào)用ThreadPool.QueueUserWorkItem()添加的，則此任務(wù)會(huì)被添加到一個(gè)全局隊(duì)列（global queue）中，這一全局隊(duì)列就是圖1916中所示的“線程池任務(wù)隊(duì)列”。以下是任務(wù)調(diào)度器實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度的基本過程：當(dāng)任務(wù)調(diào)度器開始分派任務(wù)時(shí)，它先檢查一下創(chuàng)建此任務(wù)的線程是不是線程池中的線程（這種線程擁有一個(gè)本地的任務(wù)隊(duì)列），如果不是，此任務(wù)被加入到線程池全局任務(wù)隊(duì)列中，如果是，任務(wù)調(diào)度器檢查此任務(wù)是否設(shè)置了TaskCreationOptions.PreferFairness標(biāo)記，如果設(shè)置了，則此任務(wù)被加入到線程池全局任務(wù)隊(duì)列中，否則，還是被放入到線程的本地隊(duì)列中。當(dāng)

4、一個(gè)線程開始執(zhí)行時(shí)，它優(yōu)先搜索自己的專有任務(wù)隊(duì)列，當(dāng)此隊(duì)列為空時(shí)，它才會(huì)去搜索全局任務(wù)隊(duì)列。由此可見，這種調(diào)度策略實(shí)際上是其于優(yōu)先級(jí)的，本地工作隊(duì)列比全局隊(duì)列擁有更高的優(yōu)先級(jí)。上述這種默認(rèn)的調(diào)度策略適用于絕大多數(shù)情況，但不可能是所有的情況，如果需要對(duì)線程本地隊(duì)列和線程池全局隊(duì)列中的任務(wù)一視同仁，在不改變調(diào)度策略的情況下（這個(gè)策略是由.NET為線程池所提供的默認(rèn)調(diào)度器實(shí)現(xiàn)的，不可改），可以通過將需要“一視同仁”的Task任務(wù)直接放到線程池全局隊(duì)列而不是線程本地隊(duì)列中實(shí)現(xiàn)，其具體的實(shí)現(xiàn)方法就是在創(chuàng)建任務(wù)時(shí)，設(shè)置它的TaskCreationOptions.PreferFairness標(biāo)記。提示：如果

5、并行執(zhí)行是通過Parallel類的Invoke、For和ForEach方法啟動(dòng)的，則不能為其指定TaskCreationOptions.PreferFairness標(biāo)記，只有在顯式創(chuàng)建Task類的代碼中可以設(shè)置此標(biāo)記。下一小節(jié)將介紹如何直接使用Task類進(jìn)行基于“任務(wù)”的并行編程。下面對(duì)任務(wù)并行庫(kù)的工作原理作一個(gè)小結(jié)。簡(jiǎn)單地說：線程就是“工人”，它負(fù)責(zé)執(zhí)行“任務(wù)”，任務(wù)由任務(wù)調(diào)度器負(fù)責(zé)分配。任務(wù)調(diào)度器具有很強(qiáng)的智能性，它能自動(dòng)協(xié)調(diào)各個(gè)任務(wù)的分配，不讓“忙”的線程“忙死”，“閑”的線程“閑死”。從線程的角度看，由于有任務(wù)調(diào)度器的公平管理，所有線程都是“團(tuán)結(jié)互助”的“雷鋒”。將線程之間合作的工作從

6、線程自身的職責(zé)中“剝離”出來，交由任務(wù)調(diào)度器來統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，這是.NET 4.0并行計(jì)算任務(wù)庫(kù)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。如果讓線程自身來負(fù)責(zé)處理工作任務(wù)的合理分配，必然會(huì)在線程函數(shù)內(nèi)增加同步的代碼，這會(huì)讓整個(gè)軟件系統(tǒng)變得復(fù)雜和難于調(diào)試。我們可以適當(dāng)?shù)貙PL的這種設(shè)計(jì)思想引申到社會(huì)生活領(lǐng)域：如果將線程比喻為“政府官員”，那么，任務(wù)調(diào)度器就可以看成是一種“制度”，正是在“制度”的制約之下，“官員”才可能廉潔公正。在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中，指望貪官他們“良心”發(fā)現(xiàn)而自己“金盆洗手”是不現(xiàn)實(shí)的，必須建立起一種有效的制度，讓所有官員都置于強(qiáng)有力的監(jiān)督之下，“貪污”的行為自然會(huì)受到極大的制約。這是題外話了。在下一小節(jié)中，我

7、們將開始深入地了解Task類。19.3.5任務(wù)的創(chuàng)建與任務(wù)的狀態(tài)1創(chuàng)建任務(wù)在19.3.3節(jié)中，我們介紹了使用Parallel類的幾個(gè)靜態(tài)方法（如Invoke和For）進(jìn)行并行編程的基本方法，在19.3.4節(jié)中，我們又知道了實(shí)際上Parallel類的功能是通過Task類實(shí)現(xiàn)的，因此，如果我們需要對(duì)任務(wù)的執(zhí)行方式有更多的控制，可以直接基于Task對(duì)象編程而非使用Parallel類的靜態(tài)方法。進(jìn)行并行編程的第一步，是創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)對(duì)象。最簡(jiǎn)單的方法就是直接使用new關(guān)鍵字創(chuàng)建Task對(duì)象。Task類的構(gòu)造函數(shù)有多個(gè)重載形式，我們逐個(gè)介紹其含義和用途： public Task(Action action

8、);上述構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)Task對(duì)象，并且讓其關(guān)聯(lián)一個(gè)任務(wù)函數(shù)（由action參數(shù)引用），當(dāng)Task對(duì)象被線程執(zhí)行時(shí)，此函數(shù)被調(diào)用。publicTask(Actionaction, object state);這一構(gòu)造函數(shù)的第2個(gè)參數(shù)用于向任務(wù)函數(shù)傳送附加信息，這些附加信息其實(shí)就是任務(wù)函數(shù)調(diào)用時(shí)的實(shí)參。publicTask(Action action, TaskCreationOptions creationOptions);這一構(gòu)造函數(shù)多了一個(gè)TaskCreationOptions類型的參數(shù)，此參數(shù)用于設(shè)置任務(wù)的屬性標(biāo)記，上一小節(jié)說過，默認(rèn)情況下新建的任務(wù)會(huì)放在創(chuàng)建它的線程1的本地隊(duì)列中，如

9、果希望將任務(wù)放入線程池的全局隊(duì)列中，可以向此構(gòu)造函數(shù)傳入“TaskCreationOptions.PreferFairness”值。1假設(shè)此線程是線程池中的線程publicTask(Actionaction, object state,TaskCreationOptionscreationOptions);這一構(gòu)造函數(shù)是前3個(gè)構(gòu)造函數(shù)的“集大成者”，各參數(shù)的含義不再贅述?？偨Y(jié)一下，每個(gè)任務(wù)一定關(guān)聯(lián)有一個(gè)任務(wù)函數(shù)。這是Task對(duì)象的本質(zhì)特征。創(chuàng)建好以后，并不會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，必須顯示調(diào)用它的Start()方法。只有此方法被調(diào)用之后，此任務(wù)才會(huì)被插入到線程（或線程池）所關(guān)聯(lián)的任務(wù)隊(duì)列中，并在任務(wù)調(diào)度器的

10、管理下得到執(zhí)行。Task t= new Task() =/任務(wù)函數(shù)代碼);/任務(wù)對(duì)象創(chuàng)建完畢，但還未加入到任務(wù)隊(duì)列中t.Start(); /將任務(wù)追加到相應(yīng)的任務(wù)隊(duì)列中調(diào)度執(zhí)行。創(chuàng)建任務(wù)的第2種方法是使用TaskFactory類，顧名思義，此類是一個(gè)“任務(wù)創(chuàng)建工廠”，它提供了“一堆”的公有方法可用于創(chuàng)建任務(wù)對(duì)象。Task類有一個(gè)靜態(tài)屬性Factory可用于引用一個(gè)TaskFactory對(duì)象。比如，上述創(chuàng)建并啟動(dòng)一個(gè)任務(wù)的代碼可以簡(jiǎn)化為：Task t =Task.Factory.StartNew() =/任務(wù)函數(shù)代碼);在深入了解Task類的基礎(chǔ)之上，TaskFactory類的使用就沒有任何奇特

11、之處，請(qǐng)讀者自行查詢MSDN了解TaskFactory類提供的另外一些方法的用法。2了解任務(wù)的狀態(tài)“風(fēng)蕭蕭兮易水寒，壯士一去兮不復(fù)還”，與線程對(duì)象一樣，每一個(gè)Task對(duì)象都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)生命周期，在這個(gè)生命周期的每個(gè)特定階段，對(duì)象處于一個(gè)特定的狀態(tài)，并且不可能由后一個(gè)狀態(tài)“回轉(zhuǎn)”到前一個(gè)狀態(tài)。簡(jiǎn)單地說，Task對(duì)象的生命是一條單行線，一旦上路，就只能往前走，直到生命的終結(jié)，期間絕無(wú)走回頭路的可能。如圖1917所示，Task對(duì)象擁有8個(gè)狀態(tài)，這些狀態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)換。其中，Created是起始狀態(tài)，而Canceled、Faulted和RanToCompletion是3個(gè)終止?fàn)顟B(tài)，其余狀態(tài)都是中間狀態(tài)。通過對(duì)Task類特定的方法的調(diào)用，Task對(duì)象會(huì)自動(dòng)進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。通常情況下軟件工程師無(wú)需考慮這一轉(zhuǎn)換過程，