c# Parallel类的使用

　　parallel类是对线程的抽象，提供数据与任务的并行性。类定义了静态方法for和foreach，使用多个任务来完成多个作业。parallel.for和parallel.foreach方法在每次迭代的时候调用相同的代码，而parallel.invoke()方法允许同时调用不同的方法。parallel.foreach()方法用于数据的并行性，parallel.invoke()方法用于任务的并行性。

1、for()方法

　　for()方法用于多次执行一个任务，可以并行运行迭代，但迭代的顺序并没指定。for()方法前两个参数为定义循环的开始和结束，第三个参数为action<int>委托。方法的返回值是parallelloopresult结构，它提供了是否结束的信息。如以下循环方法，不能保证输出顺序： 

static void parallelfor()
{
  parallelloopresult result =
    parallel.for(0, 10, async i =>
      {
        console.writeline("{0}, task: {1}, thread: {2}", i,
          task.currentid, thread.currentthread.managedthreadid);

        await task.delay(10);//异步方法，用于释放线程供其他任务使用。完成后，可能看不到方法的输出，因为主(前台线)程结束，所有的后台线程也将结束
        console.writeline("{0}, task: {1}, thread: {2}", i, task.currentid, thread.currentthread.managedthreadid);
      });
  console.writeline("is completed: {0}", result.iscompleted);
}

　　异步功能虽然方便，但是知道后台发生了什么仍然重要，必须留意。

提前停止for()方法

　　可以根据条件提前停止for()方法，而不必完成全部的迭代。，传入参数parallelloopstate的对象，调用break()方法或者stop()方法。如调用break()方法，当迭代值大于15的时候中断（当前线程结束，类似于普通for的continue），但其他任务可以同时运行，有其他值的任务也可以运行（如果当前线程是主线程，那么就等同于stop()，结束所有线程）。stop()方法结束的是所有操作（类似于普通for的break）。利用lowestbreakiteration属性可以忽略其他任务的结果：

static void parallelfor()
{
  parallelloopresult result = parallel.for(10, 40, (int i, parallelloopstate pls) =>
     {
       console.writeline("i: {0} task {1}", i, task.currentid);
       thread.sleep(10);
       if (i > 15)
         pls.break();
     });
  console.writeline("is completed: {0}", result.iscompleted);
  if (!result.iscompleted)
    console.writeline("lowest break iteration: {0}", result.lowestbreakiteration);
}

　　for()方法可以使用几个线程执行循环。如果要对每个线程进行初始化，就需要使用到for<tlocal>(int, int, func<tlocal>, func<int, parallelloopstate, tlocal, tlocal> , action<tlocal>)方法。

• 前两个参数是对应的循环起始和终止条件；
• 第二个参数类型是func<tlocal>，返回一个值，传递给第三个参数。
• 第三个参数类型是func<int, parallelloopstate, tlocal, tlocal>，是循环体的委托，其内部的第一个参数是循环迭代，内部第二个参数允许停止迭代，内部第三个参数用于接收for()方法的前一个参数的返回值。循环体应当返回与for()循环泛型类型一致的值。
• 第四个参数是指定的一个委托，用于执行相关后续操作。

static void parallelfor()
{
  parallel.for<string>(0, 20, () =>
   {
     // invoked once for each thread
     console.writeline("init thread {0}, task {1}", thread.currentthread.managedthreadid, task.currentid);
     return string.format("t{0}", thread.currentthread.managedthreadid);
   },
   (i, pls, str1) =>
   {
     // invoked for each member
     console.writeline("body i {0} str1 {1} thread {2} task {3}", i, str1, thread.currentthread.managedthreadid, task.currentid);
     thread.sleep(10);
     return string.format("i {0}", i);
   },
   (str1) =>
   {
     // final action on each thread
     console.writeline("finally {0}", str1);
   });
}

2、使用foreach()方法循环

　　foreach()方法遍历实现了ienumerable的集合，其方式类似于foreach语句，但是以异步方式遍历，没有确定的顺序。如果要中断循环，同样可以采用parallelloopstate参数。foreach<tsource>有许多泛型的重载方法。

static void parallelforeach()
{
  string[] data = { "zero", "one", "two", "three", "four", "five", "six", "seven", "eight", "nine", "ten", "eleven", "twelve" };

  parallelloopresult result = parallel.foreach<string>(data, s =>
       {
         console.writeline(s);
       });
  parallel.foreach<string>(data, (s, pls, l) =>
  {
    console.writeline("{0} {1}", s, l);
  });
}

3、调用多个方法
　　如果有多个任务并行，可以使用parallel.invoke()方法，它提供任务的并行性模式：

static void parallelinvoke()
{
  parallel.invoke(foo, bar);
}

static void foo()
{
  console.writeline("foo");
}

static void bar()
{
  console.writeline("bar");
}

4、for()方法的取消

　　在for()方法的重载方法中，可以传递一个paralleloptions类型的参数，利用此参数可以传递一个cancellationtoken参数。使用cancellationtokensource对象用于注册cancellationtoken，并允许调用cancel方法用于取消操作。

　　一旦取消操作，for()方法就抛出一个operationcanceledexception类型的异常，使用cancellationtoken可以注册取消操作时的信息。调用register方法，传递一个在取消操作时调用的委托。通过取消操作，可以将其他的迭代操作在启动之前取消，但已经启动的迭代操作允许完成。取消操作是以协作方式进行的，以避免在取消迭代操作的中间泄露资源。

static void cancelparallelloop()
{
  var cts = new cancellationtokensource();
  cts.token.throwifcancellationrequested();
  cts.token.register(() => console.writeline("** token cancelled"));
  // 在500ms后取消标记
  cts.cancelafter(500);
  try
  {
    parallelloopresult result = parallel.for(0, 100,
      new paralleloptions()
      {
        cancellationtoken = cts.token
      },
        x =>
        {
          console.writeline("loop {0} started", x);
          int sum = 0;
          for (int i = 0; i < 100; i++)
          {
            thread.sleep(2);
            sum += i;
          }
          console.writeline("loop {0} finished", x);
        });
  }
  catch (operationcanceledexception ex)
  {
    console.writeline(ex.message);
  }
}

5、发现存在的问题

　　使用并行循环时，若出现以下两个问题，需要使用partitioner(命名空间 system.collections.concurrent中)解决。

1. 使用并行循环时，应确保每次迭代的工作量要明显大于同步共享状态的开销。 如果循环把时间都耗在了阻塞式的访问共享的循环变量上，那么并行执行的好处就很容易完全丧失。尽可能让每次循环迭代都只是在局部进行，避免阻塞式访问造成的损耗。见示例1
2. 并行循环的每一次迭代都会生成一个委托，如果每次生成委托或方法的开销比迭代完成的工作量大，使用并行方案就不适合了（委托会设计两类开销：构造开销和调用开销。大多数调用开销和普通方法的调用差不多。 但委托是一种对象，构造开销可能相当大，最好是只做一次构造，然后把对象缓存起来）。见示例2

　　示例1中，求1000000000以内所有自然数开方的和。第一部分采用直接计算的方式，第二部分采用分区计算。第二部分的partitioner 会把需要迭代的区间分拆为多个不同的空间，并存入tuple对象中。

/*   示例1  */public static void partitionertest()
{
  //使用计时器
  system.diagnostics.stopwatch stopwatch = new system.diagnostics.stopwatch();
  const int maxvalue = 1000000000;
  long sum = 0;
  stopwatch.restart();//开始计时
  parallel.for(0, maxvalue, (i) => {
    interlocked.add(ref sum, (long )math.sqrt(i));//interlocked是原子操作，多线程访问时的线程互斥操作
  });
  stopwatch.stop();
  console.writeline($"parallel.for:{stopwatch.elapsed}");//我的机器运行出的时间是：00:01:37.0391204


  var partitioner = system.collections.concurrent.partitioner.create(0, maxvalue);//拆分区间
  sum = 0;
  stopwatch.restart();
  parallel.foreach(partitioner, (rang) => {
    long partialsum = 0;
    //迭代区间的数据
    for(int i=rang.item1;i<rang.item2;i++)
    {
      partialsum += (long)math.sqrt(i);
    }
    interlocked.add(ref sum, partialsum);//原子操作
  });
  stopwatch.stop();
  console.writeline($"parallel.foreach:{stopwatch.elapsed}"); //我的机器运行出的时间是：00:00:02.7111666
}

　　partitioner的分区是静态的，只要迭代分区划分完成，每个分区上都会运行一个委托。如果某一段区间的迭代次数提前完成，也不会尝试重新分区并让处理器分担工作。 对于任意ienumerable<t>类型都可以创建不指定区间的分区，但这样就会让每个迭代项目都创建一个委托，而不是对每个区间创建委托。创建自定义的partitioner可以解决这个问题，代码比较复杂。请自行参阅：

　　示例2中，采用一个委托方法来计算两个数之间的关系值。前一种是每次运行都重新构造委托，后一种是先构造出委托的方法而后每一次调用。

//声明一个委托
 private delegate int mathop(int x, int y);
 private int add(int x,int y)
 {
   return x + y;
 }

 private int dooperation(mathop op,int x,int y)
 {
   return op(x, y);
 }

 /*
 * 委托会设计两类开销：构造开销和调用开销。大多数调用开销和普通方法的调用差不多。 但委托是一种对象，构造开销可能相当大，最好是只做一次构造，然后把对象缓存起来。
 */
 public void test()
 {
   system.diagnostics.stopwatch stopwatch = new system.diagnostics.stopwatch();
   stopwatch.restart();
   for(int i=0;i<10;i++)
   {
     //每一次遍历循环，都会产生一次构造和调用开销
     dooperation(add, 1, 2);
   }
   stopwatch.stop();
   console.writeline("construction and invocation: {0}", stopwatch.elapsed);//00:00:00.0003812

   stopwatch.restart();
   mathop op = add;//只产生一次构造开销
   for(int i=0;i<10;i++)
   {
     dooperation(op, 1, 2);//每一次遍历都只产生遍历开销
   }
   stopwatch.stop();
   console.writeline("once construction and invocation: {0}", stopwatch.elapsed);//00:00:00.0000011
 }

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