NET0并行計算技術(shù)基礎(chǔ)

1、.NET4.0弁行計算技術(shù)基礎(chǔ)（7）呵呵，越到國慶反而越忙，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)并行庫原理初探在上一小節(jié)中，我們看到只需簡單地調(diào)用Parallel類中的一些靜態(tài)方法，就可以讓代碼并行執(zhí)行。您一定會對任務(wù)并行庫的強大功能有了很深的印象，一些 喜歡刨根問底的讀者可能會問：任務(wù)并行庫怎樣實現(xiàn)代碼的并行執(zhí)行？任務(wù)并行庫的底層技術(shù)細(xì)節(jié)很復(fù)雜，要介紹它超出了本書的范疇，然而，對 其工作原理作一個介紹是可能的，了解這些知識，對于開發(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Para川el類編寫的并行算法，經(jīng)過編譯器的處理，會全部

2、轉(zhuǎn)換為 對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類的實例代表一個可以被并行執(zhí)行的任務(wù)，任務(wù)（而不是線程?。┦?TPL實現(xiàn)并行計算的基本單位。2任務(wù)并行庫的工作原理任務(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，這個調(diào)度器使用的任務(wù)分派策略稱為“ Work-stealing ”。托管建程度JJ線程目任務(wù)如圖19-16所示，線程池中的每個線程都擁有一個專有的（本地的）任務(wù)隊列， 當(dāng)線程創(chuàng)建任務(wù)（即Task類的實例）時，默認(rèn)設(shè)置下，這些

3、任務(wù)被放入了線程 本地工作隊列中。如果任務(wù)本身是通過調(diào)用 ThreadPool.QueueUserWorkItem（雅力口的，則此任務(wù)會被添加到一個全局隊列（global queue）中，這一全局隊列就是圖19-16中所示的 “線程池任務(wù)隊列”。以下是任務(wù)調(diào)度器實現(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，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（這種線程擁有一個本地的任務(wù)隊列），如果不是，此任務(wù)被加入到線程池全局任務(wù)隊列中，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)隊列

4、中，否則，還是被放入到線程的本地隊列中。當(dāng)一個線程開始執(zhí)行時，它優(yōu)先搜索自己的專有任務(wù)隊列，當(dāng)此隊列為空時，它才會去搜索全局任務(wù)隊列。由此可見，這種調(diào)度策略實際上是其于優(yōu)先級的，本地工作隊列比全局隊列擁有更高的優(yōu)先級。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，如果需要對線程本地隊列和線程池全局隊列中的任務(wù)一視同仁，在不改變調(diào)度策略的情況下（這個策略是由.NET為線程池所提供的默認(rèn)調(diào)度器實現(xiàn)的，不可改），可 以通過將需要 "視同仁”的Task任務(wù)直接放到線程池全局隊列而不是線程本地 隊列中實現(xiàn)，其具體的實現(xiàn)方法就是在創(chuàng)建任務(wù)時，設(shè)置它的 TaskCreationO

5、ptions.PreferFairnes甑記。提示：如果并行執(zhí)行是通過Parallel類的Invoke、For和ForEach方法啟動的，則不能為其指定TaskCreationOptions.PreferFairnesS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。下面對任務(wù)并行庫的工作原理作一個小結(jié)。簡單地說：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)度器具有很強的智能性，它能自動協(xié)調(diào)各個任務(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

6、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并行計算任務(wù)庫設(shè)計的一個關(guān)鍵點。如果讓線程自身來 負(fù)責(zé)處理工作任務(wù)的合理分配，必然會在線程函數(shù)內(nèi)增加同步的代碼，這會讓整 個軟件系統(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)計思想引申到社會生活領(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)實社會中，指望貪官他們 良心”發(fā)現(xiàn)而自己 金盆洗手”是不現(xiàn)實的，必須建 立起一種有效的制度，讓所有官員都置于強有力的監(jiān)督之下，

7、 貫污”的行為自然 會受到極大的制約。這是題外話了。在下一小節(jié)中,我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，我們又知道了實際上 Parallel類的功 能是通過Task類實現(xiàn)的，因此，如果我們需要對任務(wù)的執(zhí)行方式有更多的控制， 可以直接基于Task對象編程而非使用Parallel類的靜態(tài)方法。進(jìn)行并行編程的第一步，是創(chuàng)建一個任務(wù)對象。最簡單的方法就是直接使用 new關(guān)鍵字創(chuàng)建Task對象。Task類的構(gòu)造函數(shù)有多個重載形式

8、，我們逐個介紹 其含義和用途：public Task(Action action);上述構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建一個Task對象，并且讓其關(guān)聯(lián)一個任務(wù)函數(shù)(由 action參數(shù) 引用)，當(dāng)Task對象被線程執(zhí)行時，此函數(shù)被調(diào)用。publicTask(Action<object>action, object state);這一構(gòu)造函數(shù)的第2個參數(shù)用于向任務(wù)函數(shù)傳送附加信息，這些附加信息其實就 是任務(wù)函數(shù)調(diào)用時的實參。publicTask(Action action, TaskCreationOptions creationOptions);這一構(gòu)造函數(shù)多了一個 TaskCreationOptio

9、ns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)會放在創(chuàng)建它的線程11的本地隊列中，如果希望將任務(wù)放入線程池的全局隊列中，可以向此構(gòu)造函數(shù)傳入“TaskCreationOptions.PreferFairness 值。11假設(shè)此線程是線程池中的線程publicTask(Action<object>action, object state,TaskCreationOptionscreationOptions);這一構(gòu)造函數(shù)是前3個構(gòu)造函數(shù)的“集大成者”，各參數(shù)的含義不再贅述。總結(jié)一下，每個任務(wù)一定關(guān)聯(lián)有一個任務(wù)函數(shù)。這是Task對象的本質(zhì)特征。創(chuàng)建好

10、以后，并不會自動運行，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)才會被插入到線程(或線程池)所關(guān)聯(lián)的任務(wù)隊列中，并在任務(wù) 調(diào)度器的管理下得到執(zhí)行。Task t= new Task()=>，/任務(wù)函數(shù)代碼);,/任務(wù)對象創(chuàng)建完畢，但還未加入到任務(wù)隊列中t.Start(); /將任務(wù)追加到相應(yīng)的任務(wù)隊列中調(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“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)對象。Task類有一個靜態(tài)屬性 Factory可用于引用一個 TaskFactory對象。 比如，上述創(chuàng)建并啟動一個任務(wù)的

11、代碼可以簡化為：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之處，請 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”，與線程對象一樣，每一個Task對象都會經(jīng)歷一個生命周期，在這個生命周期的每個特定階段，對象處于一個特定的 狀態(tài)，并且不可能由后一個狀態(tài)“回轉(zhuǎn)”到前一個狀態(tài)。簡單地說， Task對象的 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)，期間絕無走回 頭路的可能。Task. Can 1 -rtue*'i th等里列方法如圖19-17所示，Task對象擁有8個狀態(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 個終 止?fàn)顟B(tài)，其余狀態(tài)都是中間狀態(tài)。通過對Task類特定的方法的調(diào)用，Task對象會自動進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。通常情況 下軟件工程師無需考慮這一轉(zhuǎn)換過程