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并行性是在具有多個(gè)內(nèi)核的系統(tǒng)上并行執(zhí)行任務(wù)的能力。.NET Framework 4 中引入了對(duì) .NET 中并行編程的支持。.NET 中的并行編程使我們能夠更有效地使用系統(tǒng)資源，并通過更好的編程控制。本文討論了我們?nèi)绾卧?.NET Core 應(yīng)用程序中使用并行性。

要使用本文中提供的代碼示例，你應(yīng)該在系統(tǒng)中安裝 Visual Studio 2019。

在 Visual Studio 中創(chuàng)建 .NET Core 控制臺(tái)應(yīng)用程序項(xiàng)目

首先，讓我們?cè)?Visual Studio 中創(chuàng)建一個(gè) .NET Core 控制臺(tái)應(yīng)用程序項(xiàng)目。假設(shè)你的系統(tǒng)中安裝了 Visual Studio 2019，請(qǐng)按照下面概述的步驟在 Visual Studio 中創(chuàng)建一個(gè)新的 .NET Core 控制臺(tái)應(yīng)用程序項(xiàng)目。

1. 啟動(dòng) Visual Studio IDE。
2. 單擊“創(chuàng)建新項(xiàng)目”。
3. 在“創(chuàng)建新項(xiàng)目”窗口中，從顯示的模板列表中選擇“控制臺(tái)應(yīng)用程序（.NET Core）”。
4. 點(diǎn)擊下一步。
5. 在“配置新項(xiàng)目”窗口中，指定新項(xiàng)目的名稱和位置。
6. 單擊創(chuàng)建。

在本文的后續(xù)部分中，我們將使用該項(xiàng)目來(lái)說(shuō)明 .NET Core 中的并行編程。

.NET Core 中的并發(fā)性和并行性

并發(fā)性和并行性是 .NET 和 .NET Core 中的兩個(gè)關(guān)鍵概念。盡管它們看起來(lái)相同，但它們之間存在細(xì)微差別。

考慮必須由應(yīng)用程序執(zhí)行的兩個(gè)任務(wù) T1 和 T2。如果一個(gè)任務(wù)處于執(zhí)行狀態(tài)而另一個(gè)任務(wù)等待輪到它，則這兩個(gè)任務(wù)處于并發(fā)執(zhí)行狀態(tài)。結(jié)果，其中一項(xiàng)任務(wù)先于另一項(xiàng)完成。相比之下，如果兩個(gè)任務(wù)同時(shí)執(zhí)行，則這兩個(gè)任務(wù)是并行執(zhí)行的。要實(shí)現(xiàn)任務(wù)并行，程序必須運(yùn)行在多核 CPU 上。

.NET Core 中的 Parallel.For 和 Parallel.ForEach

Parallel.For 循環(huán)執(zhí)行可以并行運(yùn)行的迭代。你可以監(jiān)視甚至操縱循環(huán)的狀態(tài)。Parallel.For 循環(huán)就像 for 循環(huán)，只是它允許迭代在多個(gè)線程中并行運(yùn)行。

Parallel.ForEach 方法將要完成的工作拆分為多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)集合中的每一項(xiàng)。Parallel.ForEach 類似于 C# 中的 foreach 循環(huán)，除了 foreach 循環(huán)在單個(gè)線程上運(yùn)行并且按順序進(jìn)行處理，而 Parallel.ForEach 循環(huán)在多個(gè)線程上運(yùn)行并且處理以并行方式進(jìn)行。

C# 中的 Parallel.ForEach 與 foreach

考慮下面的方法，它接受一個(gè)整數(shù)作為參數(shù)，如果它是質(zhì)數(shù)則返回 true。

static bool IsPrime(int integer)
{
    if (integer <= 1) return false;
    if (integer == 2) return true;
    var limit = Math.Ceiling(Math.Sqrt(integer));
    for (int i = 2; i <= limit; ++i)
        if (integer % i == 0)
            return false;
    return true;
}

我們現(xiàn)在將利用 ConcurrentDictionary 來(lái)存儲(chǔ)素?cái)?shù)和托管線程 ID。由于兩個(gè)范圍之間的質(zhì)數(shù)是唯一的，我們可以將它們用作鍵，將托管線程 ID 用作值。

.NET 中的并發(fā)集合包含在 System.Collections.Concurrent 命名空間內(nèi)，并提供集合類的無(wú)鎖和線程安全實(shí)現(xiàn)。ConcurrentDictionary 類包含在 System.Collections.Concurrent 命名空間內(nèi)，代表一個(gè)線程安全的字典。

以下兩個(gè)方法均使用 IsPrime 方法來(lái)檢查整數(shù)是否為素?cái)?shù)，將素?cái)?shù)和托管線程 ID 存儲(chǔ)在 ConcurrentDictionary 的實(shí)例中，然后返回該實(shí)例。第一種方法使用并發(fā)，第二種方法使用并行。

private static ConcurrentDictionary<int, int>
GetPrimeNumbersConcurrent(IList<int> numbers)
{
    var primes = new ConcurrentDictionary<int, int>();
    foreach (var number in numbers)
    {               
        if(IsPrime(number))
        {
            primes.TryAdd(number,
            Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
         }
     }
     return primes;
}
private static ConcurrentDictionary<int, int>
GetPrimeNumbersParallel(IList<int> numbers)
{
    var primes = new ConcurrentDictionary<int, int>();
    Parallel.ForEach(numbers, number =>
    {
        if (IsPrime(number))
        {
            primes.TryAdd(number,
            Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
        }
    });
    return primes;
}

C# 中的并發(fā)與并行示例

以下代碼片段說(shuō)明了如何調(diào)用 GetPrimeNumbersConcurrent 方法來(lái)檢索 1 到 100 之間的所有質(zhì)數(shù)以及托管線程 ID。

static void Main(string[] args)
{
    var numbers = Enumerable.Range(0, 100).ToList();
    var result = GetPrimeNumbersConcurrent(numbers);
    foreach(var number in result)
    {
        Console.WriteLine($"Prime Number:
        {string.Format("{0:0000}",number.Key)},
        Managed Thread Id: {number.Value}");
    }
    Console.Read();
}

當(dāng)你執(zhí)行上面的程序時(shí)，你應(yīng)該看到如圖 1 所示的輸出：

 
圖1

如你所見，托管線程 ID 在每種情況下都是相同的，因?yàn)槲覀冊(cè)诖耸纠惺褂昧瞬l(fā)?，F(xiàn)在讓我們看看使用線程并行時(shí)輸出會(huì)是什么樣子。以下代碼片段說(shuō)明了如何使用并行性檢索 1 到 100 之間的素?cái)?shù)。

static void Main(string[] args)
{
    var numbers = Enumerable.Range(0, 100).ToList();
    var result = GetPrimeNumbersParallel(numbers);
    foreach(var number in result)
    {
        Console.WriteLine($"Prime Number:
        {string.Format("{0:0000}",number.Key)},
        Managed Thread Id: {number.Value}");
    }
    Console.Read();
}

當(dāng)你執(zhí)行上面的程序時(shí)，輸出應(yīng)該類似于圖 2 所示： 

 
圖2

正如你在這里看到的，因?yàn)槲覀兪褂昧?Parallel.ForEach，所以創(chuàng)建了多個(gè)線程，因此托管線程 ID 是不同的。

限制C#中的并行度

并行度是一個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù)，表示你的查詢?cè)趫?zhí)行時(shí)應(yīng)利用的最大處理器數(shù)。換句話說(shuō)，并行度是一個(gè)整數(shù)，表示將在同一時(shí)間點(diǎn)執(zhí)行以處理查詢的最大任務(wù)數(shù)。

默認(rèn)情況下，Parallel.For 和 Parallel.ForEach 方法對(duì)衍生任務(wù)的數(shù)量沒有限制。因此，在上面顯示的 GetPrimeNumbersParallel 方法中，程序嘗試使用系統(tǒng)中的所有可用線程。

你可以利用 MaxDegreeOfParallelism 屬性來(lái)限制衍生任務(wù)的數(shù)量（每個(gè) Parallel 類的 ParallelOptions 實(shí)例）。如果 MaxDegreeOfParallelism 設(shè)置為 -1，則并發(fā)運(yùn)行的任務(wù)數(shù)沒有限制。

以下代碼片段顯示了如何設(shè)置 MaxDegreeOfParallelism 以使用最多 75% 的系統(tǒng)資源。 

new ParallelOptions
{
    MaxDegreeOfParallelism = Convert.ToInt32(Math.Ceiling((Environment.ProcessorCount * 0.75) * 2.0))
};

請(qǐng)注意，在上面的代碼片段中，我們將處理器數(shù)量乘以二，因?yàn)槊總€(gè)處理器包含兩個(gè)內(nèi)核。以下是 GetPrimeNumbersParallel 方法的完整更新代碼，供你參考：

private static ConcurrentDictionary<int, int> GetPrimeNumbersParallel(IList<int> numbers)
{
    var primes = new ConcurrentDictionary<int, int>();
    Parallel.ForEach(numbers, number =>
    {
        new ParallelOptions
        {
            MaxDegreeOfParallelism = Convert.ToInt32(Math.Ceiling((Environment.ProcessorCount * 0.75) * 2.0))
        };
        if (IsPrime(number))
        {
            primes.TryAdd(number,
            Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
        }
    });
    return primes;
}

確定 C# 中的并行循環(huán)是否完成

請(qǐng)注意，Parallel.For 和 Parallel.ForEach 都返回一個(gè) ParallelLoopResult 實(shí)例，該實(shí)例可用于確定并行循環(huán)是否已完成執(zhí)行。以下代碼片段顯示了如何使用 ParallelLoopResult。

ParallelLoopResult parallelLoopResult = Parallel.ForEach(numbers, number =>
 {
    new ParallelOptions
    {
          MaxDegreeOfParallelism = Convert.ToInt32(Math.Ceiling(
          (Environment.ProcessorCount * 0.75) * 2.0))
    };
    if (IsPrime(number))
    {
          primes.TryAdd(number, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    }
 });
Console.WriteLine("IsCompleted: {0}", parallelLoopResult.IsCompleted);

要在非泛型集合中使用 Parallel.ForEach，你應(yīng)該利用 Enumerable.Cast 擴(kuò)展方法將集合轉(zhuǎn)換為泛型集合，如下面的代碼片段所示。

Parallel.ForEach(nonGenericCollection.Cast<object>(),
    currentElement =>
    {
    });

最后一點(diǎn)，不要假設(shè) Parallel.For 或 Parallel.ForEach 的迭代將始終并行執(zhí)行。你還應(yīng)該注意線程親和性問題。你可以閱讀有關(guān)任務(wù)并行性的潛在缺陷。

總結(jié)

本文討論了如何在C#中使用Parallel.For和Parallel.ForEach的問題。通過本文的學(xué)習(xí)，你應(yīng)該了解了C#中Parallel.For和Parallel.ForEach的使用方法及注意問題。

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標(biāo)簽: Parallel.For  Parallel.ForEach  CSharp  for  foreach