19.3 讓一切“并行”——任務(wù)并行庫(kù)原理及應(yīng)用
19.3.1 任務(wù)并行庫(kù)簡(jiǎn)介
任務(wù)并行庫(kù)（ TPL ： Task Parallel Library ）是 .NET 4.0 為幫助軟件工程師開發(fā)并行程序而提供的一組類，位于 System.Threading 和 System.Threading.Tasks 這兩個(gè)命名空間中，駐留在 3 個(gè) .NET 核心程序集 mscorlib.dll 、 System.dll 和 System.Core.dll 里。使用這些類，可以讓軟件工程師在開發(fā)并行程序時(shí)，將精力更關(guān)注于問題本身，而不是諸如線程的創(chuàng)建、取消和同步等繁瑣的技術(shù)細(xì)節(jié)。
使用 TPL 開發(fā)并行程序，考慮的著眼點(diǎn)是“任務(wù) (task) ”而非“線程”。
一個(gè)任務(wù)是一個(gè) Task 類的實(shí)例，它代表某個(gè)需要計(jì)算機(jī)執(zhí)行的數(shù)據(jù)處理工作，其特殊之處在于：
在 TPL 中，任務(wù)通常代表一個(gè)可以被計(jì)算機(jī) 并行執(zhí)行 的工作。
任務(wù)可以由任何一個(gè)線程執(zhí)行，特定的任務(wù)與特定的線程之間沒有綁定關(guān)系。在目前的版本中， TPL 使用 .NET 線程池中的線程來(lái)執(zhí)行任務(wù)。
負(fù)責(zé)將任務(wù)“分派”到線程的工作則“任務(wù)調(diào)度器（ Task Scheduler ）”負(fù)責(zé)。任務(wù)調(diào)度器集成于線程池中。
我們?cè)谇懊娼榻B并行計(jì)算基本原理時(shí)，曾經(jīng)介紹過 OpenMP ，通過在 Fortran 或 C/C++ 代碼中添加特定的編譯標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)了 OpenMP 標(biāo)準(zhǔn)的編譯器會(huì)自動(dòng)地生成相應(yīng)的并行代碼。然而， TPL 采用了另一種實(shí)現(xiàn)方式，它自行是作為 .NET 平臺(tái)的一個(gè)有機(jī)組成部分而出現(xiàn)的，并不對(duì)編譯器提出特殊要求，當(dāng)應(yīng)用程序使用 TPL 編寫并行程序時(shí)，所有代碼會(huì)被直接編譯為 IL 指令，然后由 CLR 負(fù)責(zé)執(zhí)行之，整個(gè)過程完全等同于標(biāo)準(zhǔn)的 .NET 應(yīng)用程序。換言之，對(duì)于應(yīng)用軟件開發(fā)工程師而言，使用 TPL 開發(fā)并行程序，在編程方式上沒有任何變化，只不過是編程時(shí)多了幾個(gè)類可用，并且處理數(shù)據(jù)時(shí)需要使用并行算法。
提示：
之所以微軟在設(shè)計(jì) .NET 4.0 并行擴(kuò)展的時(shí)候放棄了類似于 OpenMP 的方式，是因?yàn)? .NET 平臺(tái)本身是跨語(yǔ)言的，如果象 OpenMP 那樣，就不得不對(duì)所有的 .NET 編程語(yǔ)言設(shè)定特定的編譯指令，并且需要修改現(xiàn)有的各種語(yǔ)言編譯器，這無(wú)疑是不明智的一個(gè)決定。
另外，針對(duì)并行程序中令人頭痛的異常處理問題， TPL 提供了一個(gè)增強(qiáng)了的 .NET 異常處理機(jī)制，并且在 Visual Studio 中集成了相應(yīng)的調(diào)試工具。
擴(kuò)充閱讀：
使用 Visual Studio 2010 調(diào)試并行程序
Visual Studio 2010 對(duì)并行程序的調(diào)試提供了強(qiáng)大的手段，給程序設(shè)計(jì)好斷點(diǎn)以后，可以使用 Threads 窗口查看當(dāng)前程序的所有線程：
在 圖 19 ? 9 中雙擊某行，可以讓指定的線程成為當(dāng)前“激活”的“被調(diào)試”的線程。
另外， Parallel Tasks 窗口展示了當(dāng)前程序所運(yùn)行的所有任務(wù)：
在 Parallel Stacks 窗口中，則可以直觀地看到每個(gè)線程的調(diào)用堆棧：
有關(guān) Visual Studio 2010 調(diào)試器的使用方法，請(qǐng)查詢 MSDN 。本書不再贅述。
19.3.2 從線程到任務(wù)
在對(duì) TPL 有了基本的了解之后，我們以一個(gè)實(shí)例來(lái)介紹如何使用 TPL 開發(fā)并行程序（ 圖 19 ? 12 ）。
1 示例簡(jiǎn)介
示例項(xiàng)目 CalculateVarianceOfPopulation 完成以下任務(wù)：
測(cè)試一批數(shù)據(jù)的總體方差。
依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，可以使用以下公式計(jì)算方差：
很明顯，要完成計(jì)算數(shù)據(jù)總體方差的任務(wù)，必須完成以下的工作：
（ 1 ）計(jì)算出所有數(shù)據(jù)的平均值，這很簡(jiǎn)單，直接求數(shù)據(jù)的和然后除以數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)就行了。
（ 2 ）計(jì)算所有數(shù)與平均值的差值的平方，然后求和
（ 3 ）將第（ 2 ）步求出的各除以數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，得到總體方差。
分析一下，在上述 3 個(gè)子任務(wù)中，第（ 2 ）步是最有可能并行執(zhí)行的。我們可以將整個(gè)數(shù)據(jù)分成幾組，然后對(duì)每組數(shù)據(jù)并行執(zhí)行處理任務(wù)。
下面簡(jiǎn)要介紹一下示例程序的技術(shù)要點(diǎn)，完整代碼可以在配套光盤上找到。
2 直接使用線程實(shí)現(xiàn)并行處理
在示例程序中，測(cè)試數(shù)據(jù)是隨機(jī)生成的，放在一個(gè) double 類型的數(shù)組中，其大小由常量 DataSize 確定。
示例程序是一個(gè) windows 應(yīng)用程序，為了保證程序可以及時(shí)地響應(yīng)用戶操作，均采用多線程方式在后臺(tái)執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)跨線程安全顯示信息的函數(shù)：
private void ShowInfo(string Info)
{
if ( InvokeRequired )
{
Action<string> del = (str) => { rtfInfo.AppendText(str); };
this.BeginInvoke(del, Info);
}
else
rtfInfo.AppendText(Info);
}
注意上面用到了 Control.InvokeRequired 屬性用于判斷是否跨線程訪問 RichTextBox 控件。
串行程序沒什么好說(shuō)的，示例程序?qū)⑵浞庋b為一個(gè) CalculateVarianceInSequence() 函數(shù)，直接調(diào)用就行了。
有趣的是如何使用線程來(lái)并行處理。常量 ThreadCount 用于定義并行執(zhí)行上述第（ 2 ）個(gè)任務(wù)的線程數(shù)，示例中將其設(shè)置為 4 ，因此，在程序運(yùn)行時(shí)，有 4 個(gè)線程同時(shí)計(jì)算“每個(gè)數(shù)據(jù)與總體平均值的差值的平方和”。這是一個(gè)典型的線程同步問題。
我們使用一個(gè)窗體的成員變量 SquareSumUsedByThread 保存計(jì)算結(jié)果，由于有 4 個(gè)線程要訪問它，因此必須給其加上一把鎖。這里有一個(gè)需要注意的地方，為了提升程序性能，這把“鎖”鎖定的對(duì)象不能是主窗體對(duì)象，更不能是主窗體類型，而是一個(gè)專用于互斥的對(duì)象。為此，在主窗體中我添加了以下變量：
private object SquareSumLockObject = new object();
而在線程函數(shù)中這樣訪問它：
//…
lock (SquareSumLockObject)
{
SquareSumUsedByThread += sum;
}
//…
這是一個(gè)很重要的多線程開發(fā)技巧，讀者需要注意。
另外，工作線程在執(zhí)行計(jì)算任務(wù)時(shí)需要知道一些信息：
l 它負(fù)責(zé)處理整個(gè)數(shù)組中“哪塊”區(qū)域？這可以通過它要處理的數(shù)據(jù)的起始索引和要處理的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)確定。
l 總體數(shù)據(jù)的平均值，這個(gè)值在算法前一步使用串行算法計(jì)算得到的。
讀者一看到這，應(yīng)該馬上意識(shí)到這是一個(gè)典型的“將數(shù)據(jù)從外界傳送到線程中”問題，可以使用本書第 16 章介紹過的相關(guān)編程技巧來(lái)解決。在本示例中，定義了一個(gè) ThreadArgu 輔助類用于封裝這些信息。由此得到線程函數(shù)的代碼框架：
private void CalculateSquareSumInParallelWithThread( object ThreadArguObject )
{
ThreadArgu argu = ThreadArguObject as ThreadArgu ;
// ……（代碼略）
}
另外，由于有 4 個(gè)工作線程執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，因此，我們可以使用第 17 章介紹過的 CountdownEvent 對(duì)象來(lái)等待這 4 個(gè)線程的工作結(jié)束。
如果讀者掌握了前幾章的內(nèi)容，那么在上面介紹的基礎(chǔ)之上，您完全可以不看示例代碼自行編出這個(gè)程序，這是一個(gè)很好的編程練習(xí)。
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下一講 《.NET4.0并行計(jì)算基礎(chǔ)（5）》
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