.NET4.0并行计算技术基础（7）

呵呵，越到国庆反而越忙，好多天没更新了，工作第一天，贴出一篇新文。

 

                                金旭亮

                            2009.10.9

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.NET4.0并行计算技术基础（7）

 

这是一个系列讲座，前面几讲的链接为：

 

.NET 4.0 并行计算技术基础(1)

.NET 4.0 并行计算技术基础(2)

. NET 4.0并行计算技术基础(3)

. NET4.0并行计算技术基础(4)

 .NET4.0并行计算技术基础（5）

.NET 4.0并行计算技术基础（6）

 

 

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19.3.4任务并行库原理初探

         在上一小节中，我们看到只需简单地调用Parallel类中的一些静态方法，就可以让代码并行执行。您一定会对任务并行库的强大功能有了很深的印象，一些喜欢刨根问底的读者可能会问：

       任务并行库怎样实现代码的并行执行？

         任务并行库的底层技术细节很复杂，要介绍它超出了本书的范畴，然而，对其工作原理作一个介绍是可能的，了解这些知识，对于开发并行程序而言是很有益的。

1 并行指令的生成

        

 

软件工程师使用Paralllel类编写的并行算法，经过编译器的处理，会全部转换为对Task类相应方法和属性的调用指令，这些指令被保存到编译好的程序集中。

         Task类的实例代表一个可以被并行执行的任务，任务（而不是线程！）是TPL实现并行计算的基本单位。

 

2 任务并行库的工作原理

         任务由线程负责执行，为了获取较高的性能，TPL使用线程池中的线程，并且使用了一个与线程池直接集成的“任务调度器（Task Scheduler）”来负责分派工作任务给线程， 这个调度器使用的任务分派策略称为“Work-stealing”。

 

 

 

         如 图 19‑16 所示，线程池中的每个线程都拥有一个专有的（本地的）任务队列，当线程创建任务（即 Task 类的实例）时，默认设置下，这些任务被放入了线程本地工作队列中。

         如果任务本身是通过调用 ThreadPool.QueueUserWorkItem() 添加的，则此任务会被添加到一个全局队列（ global queue ）中，这一全局队列就是 图 19‑16 中所示的“线程池任务队列”。

         以下是任务调度器实现任务调度的基本过程：

       当任务调度器开始分派任务时，它先检查一下创建此任务的线程是不是线程池中的线程（这种线程拥有一个本地的任务队列），如果不是，此任务被加入到线程池全局任务队列中，如果是，任务调度器检查此任务是否设置了TaskCreationOptions.PreferFairness标记，如果设置了，则此任务被加入到线程池全局任务队列中，否则，还是被放入到线程的本地队列中。

       当一个线程开始执行时，它优先搜索自己的专有任务队列，当此队列为空时，它才会去搜索全局任务队列。由此可见，这种调度策略实际上是其于优先级的，本地工作队列比全局队列拥有更高的优先级。

         上述这种默认的调度策略适用于绝大多数情况，但不可能是所有的情况，如果需要对线程本地队列和线程池全局队列中的任务一视同仁，在不改变调度策略的情况下（这个策略是由 .NET 为线程池所提供的默认调度器实现的，不可改），可以通过将需要 “ 一视同仁 ” 的 Task 任务直接放到线程池全局队列而不是线程本地队列中实现，其具体的实现方法就是在创建任务时，设置它的 TaskCreationOptions.PreferFairness 标记。

 

      提示：

       如果并行执行是通过Parallel类的Invoke、For和ForEach方法启动的，则不能为其指定TaskCreationOptions.PreferFairness标记，只有在显式创建Task类的代码中可以设置此标记。下一小节将介绍如何直接使用Task类进行基于“任务”的并行编程。

 

         下面对任务并行库的工作原理作一个小结。

         简单地说： 线程就是“工人”，它负责执行“任务”，任务由任务调度器负责分配。

         任务调度器具有很强的智能性，它能自动协调各个任务的分配，不让 “ 忙 ” 的线程 “ 忙死 ” ， “ 闲 ” 的线程 “ 闲死 ” 。从线程的角度看，由于有任务调度器的公平管理，所有线程都是 “ 团结互助 ” 的 “ 雷锋 ” 。

         将线程之间合作的工作从线程自身的职责中 “ 剥离 ” 出来，交由任务调度器来统一协调管理，这是 .NET 4.0 并行计算任务库设计的一个关键点。如果让线程自身来负责处理工作任务的合理分配，必然会在线程函数内增加同步的代码，这会让整个软件系统变得复杂和难于调试。

         我们可以适当地将 TPL 的这种设计思想引申到社会生活领域：如果将线程比喻为 “ 政府官员 ” ，那么，任务调度器就可以看成是一种 “ 制度 ” ，正是在 “ 制度 ” 的制约之下， “ 官员 ” 才可能廉洁公正。

         在现实社会中，指望贪官他们 “ 良心 ” 发现而自己 “ 金盆洗手 ” 是不现实的，必须建立起一种有效的制度，让所有官员都置于强有力的监督之下， “ 贪污 ” 的行为自然会受到极大的制约。这是题外话了。

         在下一小节中，我们将开始深入地了解 Task 类。

 

 

19.3.5 任务的创建与任务的状态

1 创建任务

在 19.3.3 节中，我们介绍了使用 Parallel 类的几个静态方法（如 Invoke 和 For ）进行并行编程的基本方法，在 19.3.4 节中，我们又知道了实际上 Parallel 类的功能是通过 Task 类实现的，因此，如果我们需要对任务的执行方式有更多的控制，可以直接基于 Task 对象编程而非使用 Parallel 类的静态方法。

进行并行编程的第一步，是创建一个任务对象。最简单的方法就是直接使用 new 关键字创建 Task 对象。 Task 类的构造函数有多个重载形式，我们逐个介绍其含义和用途：

 

    public Task(Action action);

 

         上述构造函数创建一个 Task 对象，并且让其关联一个任务函数（由 action 参数引用），当 Task 对象被线程执行时，此函数被调用。

 

public Task(Action