并行开发4——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 Program10 {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("\n屏障中当前阶段编号:{0}\n", 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 Program10 {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("\n屏障中当前阶段编号:{0}\n", 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("\n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("\n屏障中当前阶段编号:{0}\n", 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("\n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 Program10 {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 try57 {58 slock.Enter(ref lockTaken);59 sum2 += num;60 }61 finally62 {63 if (lockTaken)64 slock.Exit(false);65 }66 }67 }