并行开发 4.同步机制（上）

原文: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：

 1 using System.Collections.Concurrent;
 2 using System.Threading.Tasks;
 3 using System;
 4 using System.Diagnostics;
 5 using System.Collections.Generic;
 6 using System.Linq;
 7 using System.Threading;
 8 
 9 class Program
10 {
11 //四个task执行
12 static Task[] tasks = new Task[4];
13 
14 static Barrier barrier = null;
15 
16 static void Main(string[] args)
17 {
18 barrier = new Barrier(tasks.Length, (i) =>
19 {
20 Console.WriteLine("**********************************************************");
21 Console.WriteLine("
屏障中当前阶段编号:{0}
", i.CurrentPhaseNumber);
22 Console.WriteLine("**********************************************************");
23 });
24 
25 for (int j = 0; j < tasks.Length; j++)
26 {
27 tasks[j] = Task.Factory.StartNew((obj) =>
28 {
29 var single = Convert.ToInt32(obj);
30 
31 LoadUser(single);
32 barrier.SignalAndWait();
33 
34 LoadProduct(single);
35 barrier.SignalAndWait();
36 
37 LoadOrder(single);
38 barrier.SignalAndWait();
39 }, j);
40 }
41 
42 Task.WaitAll(tasks);
43 
44 Console.WriteLine("指定数据库中所有数据已经加载完毕！");
45 
46 Console.Read();
47 }
48 
49 static void LoadUser(int num)
50 {
51 Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载User部分数据！", num);
52 }
53 
54 static void LoadProduct(int num)
55 {
56 Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载Product部分数据！", num);
57 }
58 
59 static void LoadOrder(int num)
60 {
61 Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载Order部分数据！", num);
62 }
63 }

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。

 1 using System.Collections.Concurrent;
 2 using System.Threading.Tasks;
 3 using System;
 4 using System.Diagnostics;
 5 using System.Collections.Generic;
 6 using System.Linq;
 7 using System.Threading;
 8 
 9 class Program
10 {
11 //四个task执行
12 static Task[] tasks = new Task[4];
13 
14 static Barrier barrier = null;
15 
16 static void Main(string[] args)
17 {
18 barrier = new Barrier(tasks.Length, (i) =>
19 {
20 Console.WriteLine("**********************************************************");
21 Console.WriteLine("
屏障中当前阶段编号:{0}
", i.CurrentPhaseNumber);
22 Console.WriteLine("**********************************************************");
23 });
24 
25 for (int j = 0; j < tasks.Length; j++)
26 {
27 tasks[j] = Task.Factory.StartNew((obj) =>
28 {
29 var single = Convert.ToInt32(obj);
30 
31 LoadUser(single);
32 barrier.SignalAndWait();
33 
34 LoadProduct(single);
35 barrier.SignalAndWait();
36 
37 LoadOrder(single);
38 barrier.SignalAndWait();
39 
40 }, j);
41 }
42 
43 Task.WaitAll(tasks);
44 
45 barrier.Dispose();
46 
47 Console.WriteLine("指定数据库中所有数据已经加载完毕！");
48 
49 Console.Read();
50 }
51 
52 static void LoadUser(int num)
53 {
54 Console.WriteLine("
当前任务:{0}正在加载User部分数据！", num);
55 
56 if (num == 0)
57 {
58 //num=0：表示0号任务
59 //barrier.ParticipantsRemaining == 0：表示所有task到达屏障才会退出
60 // SpinWait.SpinUntil: 自旋锁，相当于死循环
61 SpinWait.SpinUntil(() => barrier.ParticipantsRemaining == 0);
62 }
63 }
64 
65 static void LoadProduct(int num)
66 {
67 Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载Product部分数据！", num);
68 }
69 
70 static void LoadOrder(int num)
71 {
72 Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载Order部分数据！", num);
73 }
74 }

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。

  1 using System.Collections.Concurrent;
  2 using System.Threading.Tasks;
  3 using System;
  4 using System.Diagnostics;
  5 using System.Collections.Generic;
  6 using System.Linq;
  7 using System.Threading;
  8 
  9 class Program
 10 {
 11 //四个task执行
 12 static Task[] tasks = new Task[4];
 13 
 14 static Barrier barrier = null;
 15 
 16 static void Main(string[] args)
 17 {
 18 CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
 19 
 20 CancellationToken ct = cts.Token;
 21 
 22 barrier = new Barrier(tasks.Length, (i) =>
 23 {
 24 Console.WriteLine("**********************************************************");
 25 Console.WriteLine("
屏障中当前阶段编号:{0}
", i.CurrentPhaseNumber);
 26 Console.WriteLine("**********************************************************");
 27 });
 28 
 29 for (int j = 0; j < tasks.Length; j++)
 30 {
 31 tasks[j] = Task.Factory.StartNew((obj) =>
 32 {
 33 var single = Convert.ToInt32(obj);
 34 
 35 LoadUser(single);
 36 
 37 if (!barrier.SignalAndWait(2000))
 38 {
 39 //抛出异常，取消后面加载的执行
 40 throw new OperationCanceledException(string.Format("我是当前任务{0},我抛出异常了！", single), ct);
 41 }
 42 
 43 LoadProduct(single);
 44 barrier.SignalAndWait();
 45 
 46 LoadOrder(single);
 47 barrier.SignalAndWait();
 48 
 49 }, j, ct);
 50 }
 51 
 52 //等待所有tasks 4s
 53 Task.WaitAll(tasks, 4000);
 54 
 55 try
 56 {
 57 for (int i = 0; i < tasks.Length; i++)
 58 {
 59 if (tasks[i].Status == TaskStatus.Faulted)
 60 {
 61 //获取task中的异常
 62 foreach (var single in tasks[i].Exception.InnerExceptions)
 63 {
 64 Console.WriteLine(single.Message);
 65 }
 66 }
 67 }
 68 
 69 barrier.Dispose();
 70 }
 71 catch (AggregateException e)
 72 {
 73 Console.WriteLine("我是总异常:{0}", e.Message);
 74 }
 75 
 76 Console.Read();
 77 }
 78 
 79 static void LoadUser(int num)
 80 {
 81 Console.WriteLine("
当前任务:{0}正在加载User部分数据！", num);
 82 
 83 if (num == 0)
 84 {
 85 //自旋转5s
 86 if (!SpinWait.SpinUntil(() => barrier.ParticipantsRemaining == 0, 5000))
 87 return;
 88 }
 89 
 90 Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载User数据完毕！", num);
 91 }
 92 
 93 static void LoadProduct(int num)
 94 {
 95 Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载Product部分数据！", num);
 96 }
 97 
 98 static void LoadOrder(int num)
 99 {
100 Console.WriteLine("当前任务:{0}正在加载Order部分数据！", num);
101 }
102 }

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。

 1 using System.Collections.Concurrent;
 2 using System.Threading.Tasks;
 3 using System;
 4 using System.Diagnostics;
 5 using System.Collections.Generic;
 6 using System.Linq;
 7 using System.Threading;
 8 
 9 class Program
10 {
11 static SpinLock slock = new SpinLock(false);
12 
13 static int sum1 = 0;
14 
15 static int sum2 = 0;
16 
17 static void Main(string[] args)
18 {
19 Task[] tasks = new Task[100];
20 
21 for (int i = 1; i <= 100; i++)
22 {
23 tasks[i - 1] = Task.Factory.StartNew((num) =>
24 {
25 Add1((int)num);
26 
27 Add2((int)num);
28 
29 }, i);
30 }
31 
32 Task.WaitAll(tasks);
33 
34 Console.WriteLine("Add1数字总和:{0}", sum1);
35 
36 Console.WriteLine("Add2数字总和:{0}", sum2);
37 
38 Console.Read();
39 }
40 
41 //无锁
42 static void Add1(int num)
43 {
44 Thread.Sleep(100);
45 
46 sum1 += num;
47 }
48 
49 //自旋锁
50 static void Add2(int num)
51 {
52 bool lockTaken = false;
53 
54 Thread.Sleep(100);
55 
56 try
57 {
58 slock.Enter(ref lockTaken);
59 sum2 += num;
60 }
61 finally
62 {
63 if (lockTaken)
64 slock.Exit(false);
65 }
66 }
67 }