[转]【读书笔记】.Net并行编程(三)---并行集合 - stoneniqiu - 博客园(

为了让共享的数组，集合能够被多线程更新，我们现在(.net4.0之后)可以使用并发集合来实现这个功能。而System.Collections和System.Collections.Generic命名空间中所提供的经典列表，集合和数组都不是线程安全的，如果要使用，还需要添加代码来同步。

先看一个例子，通过并行循环向一个List<string>集合添加元素。因为List不是线程安全的，所以必须对Add方法加锁来串行化。

任务开始：

   private static int NUM_AES_KEYS =80000;        static void Main(string[] args)        {            Console.WriteLine("任务开始...");            var sw = Stopwatch.StartNew();            for (int i = 0; i < 4; i++)            {                ParallelGennerateMD5Keys();                Console.WriteLine(_keyList.Count);            }            Console.WriteLine("结束时间：" + sw.Elapsed);            Console.ReadKey();        }

View Code

        private static List<string> _keyList;        private static void ParallelGennerateMD5Keys()        {            _keyList=new List<string>(NUM_AES_KEYS);            Parallel.ForEach(Partitioner.Create(1, NUM_AES_KEYS + 1), range =>            {                var md5M = MD5.Create();                for (int i = range.Item1; i < range.Item2; i++)                {                    byte[] data = Encoding.Unicode.GetBytes(Environment.UserName + i);                    byte[] result = md5M.ComputeHash(data);                    string hexString = ConverToHexString(result);                    lock (_keyList)                    {                        _keyList.Add(hexString);                    }                }            });        }

但如果我们去掉lock，得到的结果如下：

没有一次是满80000的。lock关键字创建了一个临界代码区，当一个任务进入之后，其他任务会被阻塞并等待进入。lock关键字引入了一定的开销，而且会降低可扩展性。对于这个问题，.Net4.0提供了System.Collections.Concurrent命名空间用于解决线程安全问题，它包含了5个集合：ConcurrentQueue<T>,ConcurrentStack<T>,ConcurrentBag<T>,BlockingCollection<T>,ConcurrentDictionary<TKey,TValue>。这些集合都在某种程度上使用了无锁技术，性能得到了提升。

ConcurrentQueue

一个FIFO(先进先出)的集合。支持多任务进并发行入队和出队操作。

ConcurrentQueue是完全无锁的，它是System.Collections.Queue的并发版本。提供三个主要的方法：

Enqueue--将元素加入到队列尾部。
TryDequeue--尝试删除队列头部元素。并将元素通过out参数返回。返回值为bool型，表示是否执行成功。
TryPeek--尝试将队列头部元素通过out参数返回，但不会删除这个元素。返回值bool型，表示操作是否成功。

修改上面的代码：

        private static ConcurrentQueue<string> _keyQueue;        private static void ParallelGennerateMD5Keys()        {            _keyQueue = new ConcurrentQueue<string>();            Parallel.ForEach(Partitioner.Create(1, NUM_AES_KEYS + 1), range =>            {                var md5M = MD5.Create();                for (int i = range.Item1; i < range.Item2; i++)                {                    byte[] data = Encoding.Unicode.GetBytes(Environment.UserName + i);                    byte[] result = md5M.ComputeHash(data);                    string hexString = ConverToHexString(result);                    _keyQueue.Enqueue(hexString);                }            });        }

结果如下：

可以看见，它的使用很简单，不用担心同步问题。接下我们通过生产者-消费者模式，对上面的问题进行改造,分解成两个任务。使用两个共享的ConcurrentQueue实例。_byteArraysQueue 和 _keyQueue ，ParallelGennerateMD5Keys 方法生产byte[]，ConverKeysToHex方法去消费并产生key。

        private static ConcurrentQueue<string> _keyQueue;        private static ConcurrentQueue<byte[]> _byteArraysQueue;         private static void ParallelGennerateMD5Keys(int maxDegree)        {            var parallelOptions = new ParallelOptions{MaxDegreeOfParallelism = maxDegree};            var sw = Stopwatch.StartNew();            _keyQueue = new ConcurrentQueue<string>();            Parallel.ForEach(Partitioner.Create(1, NUM_AES_KEYS + 1),parallelOptions, range =>            {                var md5M = MD5.Create();                for (int i = range.Item1; i < range.Item2; i++)                {                    byte[] data = Encoding.Unicode.GetBytes(Environment.UserName + i);                    byte[] result = md5M.ComputeHash(data);                    _byteArraysQueue.Enqueue(result);                }            });            Console.WriteLine("MD5结束时间：" + sw.Elapsed);        }        private static void ConverKeysToHex(Task taskProducer)        {            var sw = Stopwatch.StartNew();            while (taskProducer.Status == TaskStatus.Running || taskProducer.Status == TaskStatus.WaitingToRun || _byteArraysQueue.Count > 0)            {                byte[] result;                if (_byteArraysQueue.TryDequeue(out result))                {                    string hexString = ConverToHexString(result);                    _keyQueue.Enqueue(hexString);                }            }            Console.WriteLine("key结束时间：" + sw.Elapsed);        }

这次我修改了执行次数为180000

         private static int NUM_AES_KEYS =180000;        static void Main(string[] args)        {            Console.WriteLine("任务开始...");            var sw = Stopwatch.StartNew();            _byteArraysQueue=new ConcurrentQueue<byte[]>();            _keyQueue=new ConcurrentQueue<string>();
            
            //生产key 和 消费key的两个任务            var taskKeys = Task.Factory.StartNew(()=>ParallelGennerateMD5Keys(Environment.ProcessorCount - 1));            var taskHexString = Task.Factory.StartNew(()=>ConverKeysToHex(taskKeys));            string lastKey;
            //隔半秒去看一次。            while (taskHexString.Status == TaskStatus.Running || taskHexString.Status == TaskStatus.WaitingToRun)            {                Console.WriteLine("_keyqueue的个数是{0},_byteArraysQueue的个数是{1}", _keyQueue.Count,_byteArraysQueue.Count);                if (_keyQueue.TryPeek(out lastKey))                {                  //  Console.WriteLine("第一个Key是{0}",lastKey);                }                Thread.Sleep(500);            }            //等待两个任务结束            Task.WaitAll(taskKeys, taskHexString);            Console.WriteLine("结束时间：" + sw.Elapsed);            Console.WriteLine("key的总数是{0}" , _keyQueue.Count);            Console.ReadKey();        }

从结果可以发现,_bytaArraysQueue里面的byte[] 几乎是生产一个，就被消费一个。

理解生产者和消费者

使用ConcurrentQueue可以很容易的实现并行的生产者-消费者模式或多阶段的线性流水线。如下：

我们可以改造上面的main方法，让一半的线程用于生产，一半的线程用于消费。

  static void Main(string[] args)        {            Console.WriteLine("任务开始...");            var sw = Stopwatch.StartNew();            _byteArraysQueue=new ConcurrentQueue<byte[]>();            _keyQueue=new ConcurrentQueue<string>();            var taskKeyMax = Environment.ProcessorCount/2;            var taskKeys = Task.Factory.StartNew(() => ParallelGennerateMD5Keys(taskKeyMax));            var taskHexMax = Environment.ProcessorCount - taskKeyMax;            var taskHexStrings=new Task[taskHexMax];            for (int i = 0; i < taskHexMax; i++)            {                taskHexStrings[i] = Task.Factory.StartNew(() => ConverKeysToHex(taskKeys));            }            Task.WaitAll(taskHexStrings);            Console.WriteLine("结束时间：" + sw.Elapsed);            Console.WriteLine("key的总数是{0}" , _keyQueue.Count);            Console.ReadKey();        }

而这些消费者的结果又可以继续作为生产者，继续串联下去。

ConcurrentStack

一个LIFO(后进先出)的集合，支持多任务并发进行压入和弹出操作。它是完全无锁的。是System.Collections.Stack的并发版本。

它和ConcurrentQueue非常相似，区别在于使用了不同的方法名，更好的表示一个栈。ConcurrentStack主要提供了下面五个重要方法。

Push：将元素添加到栈顶。
TryPop:尝试删除栈顶部的元素，并通过out返回。返回值为bool，表示操作是否成功。
TryPeek：尝试通过out返回栈顶部的元素，返回值为bool，表示是否成功。
PushRange：一次将多个元素插入栈顶。
TryPopRange：一次将多个元素从栈顶移除。

为了判断栈是否包含任意项，可以使用IsEmpty属性判断。

if(!_byteArraysStack.IsEmpty)

而使用Count方法，开销相对较大。另外我们可以将不安全的集合或数组转化为并发集合。下例将数组作为参数传入。操作上和List一样。

   private static string[] _HexValues = {"AF", "BD", "CF", "DF", "DA", "FE", "FF", "FA"};        static void Main(string[] args)        {            var invalidHexStack = new ConcurrentStack<string>(_HexValues);            while (!invalidHexStack.IsEmpty)            {                string value;                invalidHexStack.TryPop(out value);                Console.WriteLine(value);            }        }

反之，可以用CopyTo和ToArray方法将并发集合创建一个不安全集合。

ConcurrentBag

一个无序对象集合,在同一个线程添加元素（生产）和删除元素(消费)的场合下效率特别高，ConcurrentBag最大程度上减少了同步的需求以及同步带来的开销。然而它在生产线程和消费线程完全分开的情况下，效率低下。　　

它提供了3个重要方法

Add--添加元素到无序组
TryTake--尝试从无序组中删除一个元素，out返回。返回值bool 表示操作是否成功。
TryPeek--尝试通过out返回一个参数。返回值bool 表示操作是否成功。

下面的实例中Main方法通过Parallel.Invoke并发的加载三个方法。有多个生产者和消费者。对应三个ConcurrentBag<string>：_sentencesBag，_capWrodsInSentenceBag和_finalSentencesBag。

ProduceSentences 随机生产句子 (消费者)
CapitalizeWordsInSentence 改造句子 (消费者/生产者)
RemoveLettersInSentence 删除句子 (消费者)

    static void Main(string[] args)        {            Console.WriteLine("任务开始...");            var sw = Stopwatch.StartNew();            _sentencesBag=new ConcurrentBag<string>();            _capWrodsInSentenceBag=new ConcurrentBag<string>();            _finalSentencesBag=new ConcurrentBag<string>();                        _producingSentences = true;                       Parallel.Invoke(ProduceSentences,CapitalizeWordsInSentence,RemoveLettersInSentence);            Console.WriteLine("_sentencesBag的总数是{0}", _sentencesBag.Count);            Console.WriteLine("_capWrodsInSentenceBag的总数是{0}", _capWrodsInSentenceBag.Count);            Console.WriteLine("_finalSentencesBag的总数是{0}", _finalSentencesBag.Count);            Console.WriteLine("总时间：{0}",sw.Elapsed);            Console.ReadKey();        }

 private static ConcurrentBag<string> _sentencesBag;        private static ConcurrentBag<string> _capWrodsInSentenceBag;        private static ConcurrentBag<string> _finalSentencesBag;        private static volatile bool _producingSentences = false;        private static volatile bool _capitalWords = false;        private static void ProduceSentences()        {            string[] rawSentences =            {                "并发集合你可知",                "ConcurrentBag 你值得拥有",                "stoneniqiu",                "博客园",                ".Net并发编程学习",                "Reading for you",                "ConcurrentBag 是个无序集合"            };            try            {                Console.WriteLine("ProduceSentences...");                _sentencesBag = new ConcurrentBag<string>();                var random = new Random();                for (int i = 0; i < NUM_AES_KEYS; i++)                {                    var sb = new StringBuilder();                    sb.Append(rawSentences[random.Next(rawSentences.Length)]);                    sb.Append(' ');                    _sentencesBag.Add(sb.ToString());                }            }            finally            {                _producingSentences = false;            }        }        private static void CapitalizeWordsInSentence()        {            SpinWait.SpinUntil(() => _producingSentences);            try            {                Console.WriteLine("CapitalizeWordsInSentence...");                _capitalWords = true;                while ((!_sentencesBag.IsEmpty)||_producingSentences)                {                    string sentence;                    if (_sentencesBag.TryTake(out sentence))                    {                        _capWrodsInSentenceBag.Add(sentence.ToUpper()+"stoneniqiu");                    }                }            }            finally             {                _capitalWords = false;            }        }        private static void RemoveLettersInSentence()        {            SpinWait.SpinUntil(() => _capitalWords);            Console.WriteLine("RemoveLettersInSentence...");            while (!_capWrodsInSentenceBag.IsEmpty || _capitalWords)            {                string sentence;                if (_capWrodsInSentenceBag.TryTake(out sentence))                {                    _finalSentencesBag.Add(sentence.Replace("stonenqiu",""));                }            }        }

View Code

在CapitalizeWordsInSentence 方法中，使用SpinUntil方法并传入共享bool变量_producingSentences，当其为true的时候，SpinUnit方法会停止自旋。但协调多个生产者和消费者自旋并非最好的解决方案，我们可以使用BlockingCollection(下面会讲)来提升性能。

 SpinWait.SpinUntil(() => _producingSentences);

另外两个用作标志的共享bool变量在声明的时候使用了volatile关键字。这样可以确保在不同的线程中进行访问的时候，可以得到这些变量的最新值。

   private static volatile bool _producingSentences = false;   private static volatile bool _capitalWords = false;

BlockingCollection

与经典的阻塞队列数据结构类似，适用于多个任务添加和删除数据的生产者-消费者的情形。提供了阻塞和界限的能力。

BlockingCollection是对IProducerConsumerCollection<T>实例的一个包装。而这个接口继承于ICollection，IEnumerable<T>。前面的并发集合都继承了这个接口。因此这些集合都可以封装在BlockingCollection中。

将上面的例子换成BlockingCollection

 static void Main(string[] args)        {            Console.WriteLine("任务开始...");            var sw = Stopwatch.StartNew();            _sentencesBC = new BlockingCollection<string>(NUM_SENTENCE);            _capWrodsInSentenceBC = new BlockingCollection<string>(NUM_SENTENCE);            _finalSentencesBC = new BlockingCollection<string>(NUM_SENTENCE);                        Parallel.Invoke(ProduceSentences,CapitalizeWordsInSentence,RemoveLettersInSentence);            Console.WriteLine("_sentencesBag的总数是{0}", _sentencesBC.Count);            Console.WriteLine("_capWrodsInSentenceBag的总数是{0}", _capWrodsInSentenceBC.Count);            Console.WriteLine("_finalSentencesBag的总数是{0}", _finalSentencesBC.Count);            Console.WriteLine("总时间：{0}",sw.Elapsed);            Console.ReadKey();        }        private static int NUM_SENTENCE = 2000000;        private static BlockingCollection<string> _sentencesBC;        private static BlockingCollection<string> _capWrodsInSentenceBC;        private static BlockingCollection<string> _finalSentencesBC;        private static volatile bool _producingSentences = false;        private static volatile bool _capitalWords = false;        private static void ProduceSentences()        {            string[] rawSentences =            {                "并发集合你可知",                "ConcurrentBag 你值得拥有",                "stoneniqiu",                "博客园",                ".Net并发编程学习",                "Reading for you",                "ConcurrentBag 是个无序集合"            };                       Console.WriteLine("ProduceSentences...");                _sentencesBC = new BlockingCollection<string>();                var random = new Random();                for (int i = 0; i < NUM_SENTENCE; i++)                {                    var sb = new StringBuilder();                    sb.Append(rawSentences[random.Next(rawSentences.Length)]);                    sb.Append(' ');                    _sentencesBC.Add(sb.ToString());                }                //让消费者知道，生产过程已经完成               _sentencesBC.CompleteAdding();                    }        private static void CapitalizeWordsInSentence()        {            Console.WriteLine("CapitalizeWordsInSentence...");            //生产者是否完成            while (!_sentencesBC.IsCompleted)            {                string sentence;                if (_sentencesBC.TryTake(out sentence))                {                    _capWrodsInSentenceBC.Add(sentence.ToUpper() + "stoneniqiu");                }            }            //让消费者知道，生产过程已经完成            _capWrodsInSentenceBC.CompleteAdding();        }        private static void RemoveLettersInSentence()        {            //SpinWait.SpinUntil(() => _capitalWords);            Console.WriteLine("RemoveLettersInSentence...");            while (!_capWrodsInSentenceBC.IsCompleted)            {                string sentence;                if (_capWrodsInSentenceBC.TryTake(out sentence))                {                    _finalSentencesBC.Add(sentence.Replace("stonenqiu",""));                }            }        }

无需再使用共享的bool变量来同步。在操作结束后，调用CompeteAdding方法来告之下游的消费者。这个时候IsAddingComplete属性为true。

_sentencesBC.CompleteAdding();

而在生产者中也无需使用自旋了。可以判断IsCompleted属性。而当IsAddingComplete属性为true且集合为空的时候，IsCompleted才为true。这个时候就表示，生产者的元素已经被使用完了。这样代码也更简洁了。

  while (!_sentencesBC.IsCompleted)

最后的结果要比使用ConcurrentBag快了0.8秒。一共是200w条数据，处理三次。

ConcurrentDictionary

与经典字典类似，提供了并发的键值访问。它对读操作是完全无锁的，在添加和修改的时候使用了细粒度的锁。是IDictionary的并发版本。

它提供最重要方法如下：

AddOrUpdate--如果键不存在就添加一个键值对。如果键已经存在，就更新键值对。可以使用函数来生成或者更新键值对。需要在委托内添加同步代码来确保线程安全。
GetEnumerator--返回遍历整个ConcurrentDictionary的枚举器，而且是线程安全的。
GetOrAdd--如果键不存在就添加一个新键值对，如果存在就返回这个键现在的值，而不添加新值。
TryAdd
TryOrGetVaule
TryRemove
TryUpdate

下面的例子创建一个ConcurrentDictionary，然后不断的更新。lock关键字确保一次只有一个线程运行Update方法。

 static void Main(string[] args)        {            Console.WriteLine("任务开始...");            var sw = Stopwatch.StartNew();            rectangInfoDic=new ConcurrentDictionary<string, RectangInfo>();            GenerateRectangles();            foreach (var keyValue in rectangInfoDic)            {                Console.WriteLine("{0},{1},更新次数{2}",keyValue.Key,keyValue.Value.Size,keyValue.Value.UpdateTimes);            }            Console.WriteLine("总时间：{0}",sw.Elapsed);            Console.ReadKey();        }        private static ConcurrentDictionary<string, RectangInfo> rectangInfoDic;        private const int MAX_RECTANGLES = 2000;        private static void GenerateRectangles()        {            Parallel.For(1, MAX_RECTANGLES + 1, (i) =>            {                for (int j = 0; j < 50; j++)                {                    var newkey = string.Format("Rectangle{0}", i%5000);                    var rect = new RectangInfo(newkey, i, j);                    rectangInfoDic.AddOrUpdate(newkey, rect, (key, existRect) =>                    {                        if (existRect != rect)                        {                            lock (existRect)                            {                                existRect.Update(rect.X,rect.Y);                            }                            return existRect;                        }                        return existRect;                    });                }            });        }

Rectangle：

    public class RectangInfo:IEqualityComparer<RectangInfo>        {            public string Name { get; set; }            public int X { get; set; }            public int Y { get; set; }            public int UpdateTimes { get; set; }            public int Size            {                get { return X*Y; }            }            public DateTime LastUpdate { get; set; }            public RectangInfo(string name,int x,int y)            {                Name = name;                X = x;                Y = y;                LastUpdate = DateTime.Now;            }            public RectangInfo(string key) : this(key, 0, 0)            {            }            public void Update(int x,int y)            {                X = x;                Y = y;                UpdateTimes++;            }            public bool Equals(RectangInfo x, RectangInfo y)            {                return (x.Name == y.Name && x.Size == y.Size);            }            public int GetHashCode(RectangInfo obj)            {                return obj.Name.GetHashCode();            }        }

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本章学习了五种并发集合，熟悉了生产者-消费者的并发模型，我们可以使用并发集合来设计并优化流水线。希望本文对你有帮助。

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作者：stoneniqiu
来源：CNBLOGS
原文：https://www.cnblogs.com/stoneniqiu/p/4931513.html
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posted @ 2022-12-04 22:37 0丁一0 阅读(41) 评论(0) 编辑收藏举报

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