.NET4.0并行计算技术基础（10）

 

 

今天贴出TPL的最后一部分内容，后面的小节将转去介绍PLINQ。

 

                                           金旭亮

                                       2009.10.17

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 .NET4.0并行计算技术基础（10）

 

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）

.NET4.0并行计算技术基础（7）

.NET4.0并行计算技术基础（8）

 .NET4.0并行计算技术基础（9）

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19.3.9 处理并行计算中的异常

         在这一小节中，我们来探讨一下如何并行计算中的异常捕获与处理问题。

1 处理并行循环中的异常

         在一个顺序执行的循环中，如果发生了一个异常，那么 .NET 的异常处理机制将会中止这个循环 ：

 

    for(int i=0;i<1000000;i++)

    {

         // 串行代码：如果在此处发生异常，将导致循环的提前中止。

    }

 

         并行程序通常使用数据分区的手段，让多个线程并行执行同一个大循环的不同部分（比如将上述大循环份为 4 部分，用 4 个线程并行执行），这样一来，情况就变得复杂了。

         想象一下，假设在执行并行循环过程中，其中的一个线程发生了异常而终止，那么从理论上说，这意味着整个“大循环”已没有必要执行，因为继续执行下去有可能得到错误的结果。因此，必须让并行程序具备这样的一个机制： 一个线程中发生的异常，应该能“传播”给其他正在工作的线程。

         .NET 并行计算开发小组的工程师们在设计并行任务库时，采用了以下的设计方案：

         如果正在执行并行循环中某个“子循环”的线程发生了异常，它会阻止执行自己执行后继的循环代码（直接使用 .NET 标准的异常处理机制即可），然后这一情况通知任务并行库，任务并行库在得到通知以后，不会再创建新的线程执行并行循环的其他“子循环”，并负责将“有一个线程已经停止执行”这一事件通报给正在执行的其他线程。

         其他线程在接到此“情况通报”后，可以根据实际情况决定是“立即退出”，还是先完成一些清理工作再退出，具体时机是由软件工程师定的，他可以在设计并行循环的任务函数时，编写专门的代码来处理这一问题。

         当所有执行并行循环代码的线程停止之后，任务并行库收集所有相关线程所抛出的异常，合并成为一个 AggregateException 异常抛出。可以在启动此并行循环操作的“主线程 [1] ”中捕获此异常，从而得知工作没有能顺利执行完毕。

         对于那些由可能执行很长时间的子循环，为了避免因长时间等待其终止， Parallel.For 和 Parallel.ForEach 都提供了特定的重载形式，用到了一个 ParallelLoopState 参数，例如：

 

public static ParallelLoopResult For(

    int fromInclusive, int toExclusive,

    Action<int, ParallelLoopState> body);

 

         ParallelLoopState 对象有一个 IsExceptional 属性，可以用于判断是否外部引发了一个异常，当其值为 true 时，表明属于同一并行循环的其他线程因为出现了未捕获的异常而终止， IsExceptional 属性由任务并行库负责设置。

         这就是任务并行库在不同线程间完成“情况通报”的基本方式。

         示例程序 HandleParallelLoopException 展示了如何处理并行循环中的异常（ 图 19‑20 ）。请读者自行阅读源码。

[1]   这里所说的“主线程”，不是指应用程序中的主线程，而是指负责启动并行循环的那个线程。

 

 

 

2 处理并行任务中引发的异常

         我们在前面介绍 Parallel 类时曾经指出，由此类启动的并行循环，在底层使用 Task 对象完成工作。因此，掌握如何处理并行任务引发的异常，更具有普遍的意义。

         当某个 Task 对象引发了一个未被捕获的异常时， TPL 会将此异常包装到一个特殊的 AggregateException 异常对象中。

         AggregateException 类的 InnerExceptions 属性包容了此轮并行代码中引发的所有异常。

         因此，一个典型的并行程序异常处理代码框架如下：

 

          try

            {

                 // 启动一个 Task 对象（取名 taskObject ）

                 taskObject.Start();

               // 等待其工作结束

                 taskObject.Wait();

            }

            catch (AggregateException ae)

            {

              // 处理并行代码中的异常

                foreach (Exception ex in ae.InnerExceptions)

                {

                    Console.WriteLine("{0}:{1}",ex.GetType(),ex.Message);

                }

            }

 

         情况比较复杂的是，任务是可以嵌套的。比如一个并行任务可能会创建多个子任务，而这些子任务又会创建更多的“孙子任务”，由此构成一个任务对象的树型结构。

         当这棵“任务对象树”中的任何一个节点（即任务对象自身）引发了一个未捕获的异常时， TPL 都会为此任务对象创建一个 AggregateException 对象，把前述那个未捕获的异常对象添加到创建好的 AggregateException 对象的 InnerExceptions 集合中，然后，再把这一个 AggregateException 对象添加到其父任务对象所关联的 AggregateException 对象的 InnerExceptions 集合中（这段话比较拗口，请读者仔细阅读）。

         这样一来，任务对象的嵌套就导致了 AggregateException 对象的嵌套，而这种嵌套还是递归进行的，这就给编写异常处理代码带来了麻烦，你必须“下钻”到 AggregateException 对象树的最底层才能得到真正的异常对象，以下是访问两层“异常树”的示例代码：

 

           catch (AggregateException ae)

            {

              // 处理并行代码中的异常

                foreach (Exception ex in ae.InnerExceptions)

                {

                   // “下钻”一层，处理子任务引发的异常

                    if(ex is AggregateException)

                 {

                         foreach(Exception innerEx in ex. InnerExceptions)

                      { // …… ( 代码略 ) }

                    }

                    else // 本任务引发的异常

                        Console.WriteLine("{0}:{1}",ex.GetType(),ex.Message);

                }

            }

 

         为了解决需要“递归”编写异常处理的问题， AggregateException 类提供了一个将多层的 AggregateException 对象树“展平”为一层的方法―― Flatten() 。使用此方法时，异常处理代码不需要遍历 AggregateException 对象树：

 

    catch (AggregateException ae)

    {

        ae. Flatten();

        // 处理并行代码中的异常

        foreach (Exception ex in ae.InnerExceptions)

        {

            // 异常处理代码……

        }

    }

 

         经过“展平”之后，AggregateException. InnerExceptions 将只包容具体的异常对象，不再包容嵌套的AggregateException 对象。

3 屏蔽掉特定的异常

         在特定场景下，我们可以在任务中直接处理或忽略掉某种特定种类的异常，这时，肯定不需要将这些异常对象加入到 AggregateException 对象中。

         AggregateException 类提供了一个 Handle() 方法来实现这一目的。

 

    public void Handle(

         Func<Exception, bool> predicate

    )

 

         predicate 参数引用一个函数， TPL 会对任务所引发的每个异常都调用一次这个函数。这个函数的参数就是具体的异常对象。当此函数返回 True 时，表示此异常对象已经被处理过了，所以，不会被包装到 AggregateException 对象中。

         例如，以下代码将“吃掉” DivideByZeroException 异常：

 

    catch (AggregateException ae)

    {

        ae.Handle((ex) =>

                {

                    if (ex is DivideByZeroException)

                                    return true;

                    else

                                    return false;

                });

        throw ae;

    }

 

4 并行任务异常处理示例

         我们用一个综合的实例 HandleTaskException 来展示并行任务异常处理的编程技巧。

         此示例项目定义了 3 个子任务，每个任务分别引发一种特定的异常。然后，再创建一个“父”任务，在“父”任务中启动这 3 个子任务。在 Main() 函数中捕获所有并行任务引发的异常。

         请读者仔细阅读示例源码，在本节所介绍的基本原理的指导下，依据代码中的说明进行动手实验，掌握捕获并处理并行任务异常的基本编程方法。为节省篇幅，本书不再赘述示例的技术细节。

 

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下一讲，介绍PLINQ编程技术。

 

  《.NET4.0并行计算技术基础（11）》