8天玩转并行开发——第四天 同步机制（上）

     在并行计算中，不可避免的会碰到多个任务共享变量，实例，集合。虽然task自带了两个方法：task.ContinueWith()和Task.Factory

.ContinueWhenAll()来实现任务串行化，但是这些简单的方法远远不能满足我们实际的开发需要，从.net 4.0开始，类库给我们提供了很多

的类来帮助我们简化并行计算中复杂的数据同步问题。

大体上分为二种：

①   并发集合类:           这个在先前的文章中也用到了，他们的出现不再让我们过多的关注同步细节。

②  轻量级同步机制:      相对于老版本中那些所谓的重量级同步机制而言,新的机制更加节省cpu的额外开销。

关于并发集合类没什么好讲的，如果大家熟悉非线程安全的集合，那么这些并发的集合对你来说小菜一碟，这一篇和下一篇我们仔细来玩玩这

些轻量级的同步机制。

一：Barrier（屏障同步）

1：基本概念

    msdn对它的解释是：使多个任务能够采用并行方式依据某种算法在多个阶段中协同工作。乍一看有点不懂，没关系，我们采取提干法。

”多个任务“，”多个阶段”，“协同”，仔细想想知道了，下一阶段的执行必须等待上一个阶段中多task全部执行完，那么我们实际中有这样

的需求吗？当然有的，比如我们数据库中有100w条数据需要导入excel，为了在数据库中加速load，我们需要开多个任务去跑，比如这

里的4个task，要想load产品表，必须等4个task都跑完用户表才行，那么你有什么办法可以让task为了你两肋插刀呢？它就是Barrier。

好，我们知道barrier叫做屏障，就像下图中的“红色线”，如果我们的屏障设为4个task就认为已经满了的话，那么执行中先到的task必须等待

后到的task，通知方式也就是barrier.SignalAndWait()，屏障中线程设置操作为new Barrier(4,(i)=>{})。

啰嗦了半天，还是上下代码说话：

using System.Collections.Concurrent;
using System.Threading.Tasks;
using System;
using System.Diagnostics;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Threading;

class Program
{
//四个task执行
static Task[] tasks = new Task[4];

static Barrier barrier = null;

static void Main(string[] args)
{
barrier = new Barrier(tasks.Length, (i) =>
{
Console.WriteLine("**********************************************************");
Console.WriteLine("\n屏障中当前阶段编号:{0}\n", i.CurrentPhaseNumber);
Console.WriteLine("**********************************************************");
});

for (int j = 0; j < tasks.Length; j++)
{
tasks[j] = Task.Factory.StartNew((obj) =>
{
var single = Convert.ToInt32(obj);

LoadUser(single);
barrier.SignalAndWait();

LoadProduct(single);
barrier.SignalAndWait();

LoadOrder(single);
barrier.SignalAndWait();
}, j);
}

Task.WaitAll(tasks);

Console.WriteLine("指定数据库中所有数据已经加载完毕！");

Console.Read();
}

static void LoadUser(int num)
{
Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载User部分数据！", num);
}

static void LoadProduct(int num)
{
Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载Product部分数据！", num);
}

static void LoadOrder(int num)
{
Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载Order部分数据！", num);
}
}

2：死锁问题

    先前的例子我们也知道，屏障必须等待4个task通过SignalAndWait()来告知自己已经到达，当4个task全部达到后，我们可以通过

barrier.ParticipantsRemaining来获取task到达状态，那么如果有一个task久久不能到达那会是怎样的情景呢？好，我举个例子。

using System.Collections.Concurrent;
using System.Threading.Tasks;
using System;
using System.Diagnostics;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Threading;

class Program
{
//四个task执行
static Task[] tasks = new Task[4];

static Barrier barrier = null;

static void Main(string[] args)
{
barrier = new Barrier(tasks.Length, (i) =>
{
Console.WriteLine("**********************************************************");
Console.WriteLine("\n屏障中当前阶段编号:{0}\n", i.CurrentPhaseNumber);
Console.WriteLine("**********************************************************");
});

for (int j = 0; j < tasks.Length; j++)
{
tasks[j] = Task.Factory.StartNew((obj) =>
{
var single = Convert.ToInt32(obj);

LoadUser(single);
barrier.SignalAndWait();

LoadProduct(single);
barrier.SignalAndWait();

LoadOrder(single);
barrier.SignalAndWait();

}, j);
}

Task.WaitAll(tasks);

barrier.Dispose();

Console.WriteLine("指定数据库中所有数据已经加载完毕！");

Console.Read();
}

static void LoadUser(int num)
{
Console.WriteLine("\n当前任务:{0}正在加载User部分数据！", num);

if (num == 0)
{
//num=0：表示0号任务
//barrier.ParticipantsRemaining == 0：表示所有task到达屏障才会退出
// SpinWait.SpinUntil: 自旋锁，相当于死循环
SpinWait.SpinUntil(() => barrier.ParticipantsRemaining == 0);
}
}

static void LoadProduct(int num)
{
Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载Product部分数据！", num);
}

static void LoadOrder(int num)
{
Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载Order部分数据！", num);
}
}

我们发现程序在加载User表的时候卡住了，出现了类似死循环，这句SpinWait.SpinUntil(() => barrier.ParticipantsRemaining == 0)中

的ParticipantsRemaining==0 永远也不能成立，导致task0永远都不能退出，然而barrier还在一直等待task0调用SignalAndWait来结束屏障。

结果就是造成了相互等待的尴尬局面,我们下个断点看看情况。

3：超时机制

    当我们coding的时候遇到了这种问题还是很纠结的，所以我们必须引入一种“超时机制”，如果在指定的时候内所有的参与者（task）都

没有到达屏障的话，我们就需要取消这些参与者的后续执行，幸好SignalAndWait给我们提供了超时的重载，为了能够取消后续执行，我们

还要采用CancellationToken机制。

using System.Collections.Concurrent;
using System.Threading.Tasks;
using System;
using System.Diagnostics;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Threading;

class Program
{
//四个task执行
static Task[] tasks = new Task[4];

static Barrier barrier = null;

static void Main(string[] args)
{
CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();

CancellationToken ct = cts.Token;

barrier = new Barrier(tasks.Length, (i) =>
{
Console.WriteLine("**********************************************************");
Console.WriteLine("\n屏障中当前阶段编号:{0}\n", i.CurrentPhaseNumber);
Console.WriteLine("**********************************************************");
});

for (int j = 0; j < tasks.Length; j++)
{
tasks[j] = Task.Factory.StartNew((obj) =>
{
var single = Convert.ToInt32(obj);

LoadUser(single);

if (!barrier.SignalAndWait(2000))
{
//抛出异常，取消后面加载的执行
throw new OperationCanceledException(string.Format("我是当前任务{0},我抛出异常了！", single), ct);
}

LoadProduct(single);
barrier.SignalAndWait();

LoadOrder(single);
barrier.SignalAndWait();

}, j, ct);
}

//等待所有tasks 4s
Task.WaitAll(tasks, 4000);

try
{
for (int i = 0; i < tasks.Length; i++)
{
if (tasks[i].Status == TaskStatus.Faulted)
{
//获取task中的异常
foreach (var single in tasks[i].Exception.InnerExceptions)
{
Console.WriteLine(single.Message);
}
}
}

barrier.Dispose();
}
catch (AggregateException e)
{
Console.WriteLine("我是总异常:{0}", e.Message);
}

Console.Read();
}

static void LoadUser(int num)
{
Console.WriteLine("\n当前任务:{0}正在加载User部分数据！", num);

if (num == 0)
{
//自旋转5s
if (!SpinWait.SpinUntil(() => barrier.ParticipantsRemaining == 0, 5000))
return;
}

Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载User数据完毕！", num);
}

static void LoadProduct(int num)
{
Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载Product部分数据！", num);
}

static void LoadOrder(int num)
{
Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载Order部分数据！", num);
}
}

二：spinLock（自旋锁）

    我们初识多线程或者多任务时，第一个想到的同步方法就是使用lock或者Monitor，然而在4.0 之后给我们提供了另一把武器spinLock，

如果你的任务持有锁的时间非常短，具体短到什么时候msdn也没有给我们具体的答案，但是有一点值得确定的时，如果持有锁的时候比较

短，那么它比那些重量级别的Monitor具有更小的性能开销，它的用法跟Monitor很相似，下面举个例子，Add2方法采用自旋锁。

using System.Collections.Concurrent;
using System.Threading.Tasks;
using System;
using System.Diagnostics;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Threading;

class Program
{
static SpinLock slock = new SpinLock(false);

static int sum1 = 0;

static int sum2 = 0;

static void Main(string[] args)
{
Task[] tasks = new Task[100];

for (int i = 1; i <= 100; i++)
{
tasks[i - 1] = Task.Factory.StartNew((num) =>
{
Add1((int)num);

Add2((int)num);

}, i);
}

Task.WaitAll(tasks);

Console.WriteLine("Add1数字总和:{0}", sum1);

Console.WriteLine("Add2数字总和:{0}", sum2);

Console.Read();
}

//无锁
static void Add1(int num)
{
Thread.Sleep(100);

sum1 += num;
}

//自旋锁
static void Add2(int num)
{
bool lockTaken = false;

Thread.Sleep(100);

try
{
slock.Enter(ref lockTaken);
sum2 += num;
}
finally
{
if (lockTaken)
slock.Exit(false);
}
}
}