.NET异步程序设计——任务并行库
1.简介
System.Threading.Tasks中的类型被称为任务并行库（Task Parallel Library，TPL）。
System.Threading.Tasks 命名空间是.NET Framework4.0所提供，
“TPL使用CLR线程池自动将应用程序的工作动态分配到可用的CPU中。TPL还处理工作分区、线程调度、状态管理和其他低级别的细节操作。最终结果是，你可以最大限度地提升.NET应用程序的性能，并且避免直接操作线程所带来的复杂性” --《精通C#》
2.Parallel类
2.0 Parallel类简介
在System.Threading.Tasks命名空间下有一个静态类：Parallel类
Parallel可以实现对实现了IEnumerable接口的数据集合的每一个元素并行操作
有一点要说明的：并行操作会带来一定的成本，如果任务本身能很快完成，或是循环次数很少，那么并行处理的速度也许会比非并行处理还慢。
Parallel类就只有有三个方法：Parallel.For()、Parallel.ForEach()和Parallel.Invoke()
但是呢，这每个方法都有大量的重载（F12-->自行查看Parallel定义）
2.1 Parallel.For()
使用Parallel.For()可以对数组中的每一个元素进行并行操作
正常的遍历数组是按照索引的顺序执行的,但是并行操作，对数组的每一个元素的操作不一定按照索引顺序操作
Parallel.For(),第一个参数是循环开始的索引（包含），第二个参数是循环结束的索引（不含）
Parallel.For()的第三个参数是一个有参数无返回值的委托，其参数是数组的索引
其实就相当于：for (int i = 0; i < length; i++)的异步版本,只是在这里是并行操作，所以并不按照数组中元素的顺序执行，具体的执行顺序是不可控的。
示例
static void Main(string[] args)
{
int[] intArray = new int[] { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };
Console.WriteLine("------------常规，对数组进行循环遍历------------");
Array.ForEach(intArray, n => Console.WriteLine($"当前操作的数组元素是{n}"));//注意这里的参数n是元素而不是索引
Console.WriteLine("------------并行操作 对数组进行循环遍历------------");
Parallel.For(0, intArray.Length, (i) => Console.WriteLine($"当前循环次数{i},当前操作的数组元素是{intArray[i]}"));
Console.ReadKey();
}
运行结果：可以看出，对数组的元素的操作顺序并不是按照索引的顺序，而是不确定的。
2.2 Parallel.ForEach()
Parallel.ForEach()用于对泛型可枚举对象的元素进行并行操作
其实就相当于：foreach (var item in collection)的异步版本
Parallel.ForEach()有大量的重载，这里展示一个简单的操作
Parallel.ForEach()的第一个参数是待操作的可枚举对象，第二个参数是一个有参数无返回值的委托，该委托参数是集合的元素（而不是索引）
示例
List<int> intList = new List<int>() { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };
Parallel.ForEach(intList, n => Console.WriteLine(n+100));
Console.ReadKey();
2.3 Parallel.Invoke()
Parallel.Invoke()对指定一系列操作并行运算
参数是一个Action委托数组(注意只能是Action[],即只能是无返回值的委托数组)
至于怎么使用Parallel.Invoke()执行带参数的委托，见.NET异步程序设计——给线程传递数据
Parallel.Invoke()最常见用于并发请求接口
示例：
static void Main(string[] args)
{
Action action1=() =>
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
Console.WriteLine($"action-1-操作");
}
};
Action action2 = () =>
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
Console.WriteLine($"action-2-操作");
}
};
//Parallel.Invoke(action1, action2);
Action[] actions = { action1, action2 };
Parallel.Invoke(actions);
Console.ReadKey();
}
运行结果：
2.4 补充：线程安全集合
详细可以参考微软的在线文档
多线程对同一个数据集合同时读写操作，可能会造成数据的混乱
.NET4 引入了System.Collections.Concurrent 命名空间，其中包含多个线程安全的数据集合类型。
现在的新项目中，只要是对数据集合进行多线程的增删操作，就应该使用并发集合类。
但是，如果仅从集合进行多线程的读取，则可使用一般的数据集合，即 System.Collections.Generic 命名空间中的类。
.net 中线程安全的数据集合有一下一些：
| 类型 | 描述 |
|---|---|
| BlockingCollection | 为实现 IProducerConsumerCollection 的所有类型提供限制和阻止功能。 有关详细信息，请参阅 BlockingCollection 概述。 |
| ConcurrentDictionary | 键值对字典的线程安全实现。 |
| ConcurrentQueue | FIFO（先进先出）队列的线程安全实现。 |
| ConcurrentStack | LIFO（后进先出）堆栈的线程安全实现。 |
| ConcurrentBag | 无序元素集合的线程安全实现。 |
| IProducerConsumerCollection | 类型必须实现以在 BlockingCollection 中使用的接口。 |
一个简单的示例：给一个数据集合添加大批量的数据
List<int> list = new List<int>();
Parallel.For(0, 1000000, t => list.Add(t));
若是按照上面使用Parallel.For()的并行方式给List添加数据，
则会报错：“索引超出了数组界限。”或“ 源数组长度不足。请检查 srcIndex 和长度以及数组的下限。”
即使没有报错，list中的数据也是有问题的（比如：可能数量不足）
当然可以通过加锁的方式进行弥补：
List<int> list = new List<int>();
object locker = new object();
Parallel.For(0, 1000000, t => { lock(locker) { list.Add(t); } });
这样通过对操作的线程枷锁，完全是没有必要的，你可以使用线程安全的集合类型，比如在这里使用ConcurrentBag
ConcurrentBag<int> cBag = new ConcurrentBag<int>();
Parallel.For(0, 100000, t => cBag.Add(t));
当然因为是并行操作，所以插入集合中的数据并不是按照0-100000的顺序（仅仅是成段的有序）。
3.Task类
3.0 Task类简介
System.Threading.Tasks命名空间中Task类，表示异步操作。
Task类可以轻松地在次线程中调用方法，可以作为异步委托的简单替代品。
同时在该命名空间还有一个泛型Task<TResul>类，TResult 表示异步操作执行完成后返回值的类型。
创建一个Task操作，只需要使用静态函数Task.Run()即可，
Task.Run()是一个.net framework4.5及以上定义的一个默认异步操作，
Task.Run()参数是委托，即需要异步执行的方法，
注意作为Task.Run()的参数的委托都是无参委托，
若Task.Run()参数是无返回值的委托Action,则Task.Run()返回值是Task类型
若Task.Run()参数是有返回值的委托Func<TResult>,则Task.Run()返回值是Task<TResult>泛型
注意：若是低于.net4.5，则可以使用Task.Factory.StartNew()，和Task.Run()静态方法效果一样
总而言之，言而总之，show you code ,一切皆明了！
3.1 创建无返回值的Task任务
示例:无返回值的Task
static void Main(string[] args)
{
//1.使用Task构造函数创建,必须显式的使用.Start()才能开始执行
//Task task = new Task(() => { Thread.Sleep(10); Console.WriteLine("我是Task ,我结束了"); });
//task.Start();
//2.使用TaskFactory.StartNew（工厂创建） 方法
//Task task = Task.Factory.StartNew(() => { Thread.Sleep(10); Console.WriteLine("我是Task ,我结束了"); });
//3.使用Task.Run()
Task task = Task.Run(() => { Thread.Sleep(10); Console.WriteLine("我是Task.Run ,我结束了"); });
if (!task.IsCompleted)//task.IsCompleted判断当前的任务是否已完成
{
Console.WriteLine("当前的Task.Run()尚未执行完,但是因为异步，返回到调用函数，所以可以先执行后续的代码");
}
Console.WriteLine("当前Task.Run还没有完成,我们是在他之后的代码但是先执行了");
task.Wait();//强行锁定线程，等待task完成
Console.WriteLine("终于Task.Run完成了工作");
Console.ReadKey();
}
3.2 创建有返回值的Task任务
若是Task任务有返回值，返回值类型为Task<T>，使用返回值的Result属性查询具体值
调试时注意查看，运行到 Console.WriteLine(task.Result)的时候，其中Task任务还是在执行Thread.Sleep(1000)
还没有出结果，我们希望的异步执行也没有发生，而是程序是在一直在等待，这是为什么呢？
是因为一但执行了task.Result，即使task任务还没有完成，主线程则停下等待，直到等待task.Result出结果(其实：task.Reulst属性内部会调用task.Wait()方法)
这种情况和异步委托中调用EndInvoke()是一样的：一旦运行EndInvoke，若是引用方法（即异步执行的那个方法）还没有完成，主线程则停止，直到引用函数运行结束。
所以可以这样理解:task.Result可以看作是一个未来结果（一定有结果但还在运算中）
示例：有返回值的Task
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("SomeDoBeforeTask");
Func<int> Do = () => { Thread.Sleep(1000); Console.WriteLine("Task.Run结束"); return 2; };
Task<int> task = Task.Run(Do);
Console.WriteLine(task.Status);//使用task.Status查看当前的Task的状态：当前的状态：WaitingToRun
Console.WriteLine(task.Result);//使用task.result操作Task任务的返回值：返回值是：2
Console.WriteLine(task.Status);//使用task.Status查看当前的Task的状态：当前的状态：RanToComplation
Console.WriteLine("SomeDoAfterTask");
Console.ReadKey();
}
运行结果：
说明：
其中我们使用task.Result查看当前的task的状态，其中Task的状态（即其生命周期）：
- Created(创建Task)：注意只有Task task=new Task(...),此时的Task状态为Created,其他方式创建的Task跳过了Created状态
- WaitingToRun(等待执行Task)
- Running(执行Task中)
- RanToComplation(Task完成)
当然，TaskStatus枚举类型中还有其他的状态：
Canceled(取消状态) Faulted (失败状态)
3.3 为Task添加延续任务
Task任务是在后台执行的同时，主线程的继续执行后续程序
所以有时候需要在Task结束后，继续执行某个特定的任务，即为Task添加延续任务（也称接续工作）
举一个简单的例子，
求解1-5000能求被3整除的个数，这个过程需要许多时间，我把它定义为一个Task.Run()
我们需要在求出结果后打印出结果，这里怎么操作呢？
若是直接使用task.Result则会阻塞主线程，一直等待运算出结果，这显然不是我们想要的
若是使用while(!task.IsComplation){//后续操作}，你无法判断Task何时结束，而且一旦Task结束则会中断后续操作
这里就是需要为Task加上接续工作
这里你可以明白，接续本质和异步委托中的回调模式是一样的，回调方法就是接续工作
3.3.1使用task.ContinueWith()
task1.ContinueWith(...task2..)表示当task1结束后接着运行task2任务
注意这里我们使用Lambda表达式编写接续工作，接续工作是有一个参数的，参数是Task类型，即上一个Task
即第一个Task完成后自动启动下一个Task，实现Task的延续
注意:ContinueWith()的返回值亦是Task类型对象，即新创建的任务
可以为接续工作task2继续添加接续工作task3
示例5 :
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("task执行前...");
Task<int> task1 = Task.Run(() => Enumerable.Range(1, 5000).Count(n => (n % 3) == 0));
Task task2 = task1.ContinueWith(t => Console.WriteLine($"当你看到这句话则task1结束了，1-5000中能被3整除的个数{t.Result}"));//这里的t就是task1
Task task3 = task2.ContinueWith(t => Console.WriteLine($"当你看到这句话则task2也结束了"));
Console.WriteLine($"task1及其接续工作正在执行中," + "\t\n" + "我们现在正在执行其他的后续代码");
Console.ReadKey();
}
运行结果：
3.3.2使用Awaiter
使用task.GetAwaiter()为相关的task创建一个等待者
示例：
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("task执行前...");
Task<int> task1 = Task.Run(() => Enumerable.Range(1, 5000).Count(n => (n % 3) == 0));
var awaiter = task1.GetAwaiter();//创建一个awaiter对象
//awaiter.OnCompleted(() => Console.WriteLine($"当你看到这句话则task1结束了，1-5000中能被3整除的个{task1.Result}"));
awaiter.OnCompleted(() => Console.WriteLine($"当你看到这句话则task1结束了，1-5000中能被3整除的个{awaiter.GetResult()}"));
Console.WriteLine($"task1及其接续工作正在执行中," + "\t\n" + "我们现在正在执行其他的后续代码");
Console.ReadKey();
}
运行效果同上。
3.3.3使用ContinueWith和Awaiter的区别
ContinueWith会返回Task对象，它非常适合用于增加更多的接续工作，不过，如果Task出错，必须直接处理AggregateException。
使用task.GetAwaiter创建awaiter对象，是在.net4.5之后，其中C#5.0的异步功能就是使用这种方式。
使用awaiter也是可以使用task.Result直接的查看任务的结果,但是使用awaiter.GetResult()可以在Task出现异常的时候直接抛出,不会封装在AggregateException中。
3.4 Task.Delay
延时执行Task
3.4.1 使用Task.Delay()和ContinueWith实现延迟工作
其实就相当于实现Thread.Sleep()的异步版本
若是你使用Thread.Sleep(),则会程序一直在等待(即阻塞线程)，直到等待结束才会运行后续的代码
而这里就相当于给给Thread.Sleep()一个加了接续工作，且这个接续工作是异步的。
即使用Task.Delay()不会阻塞主线程，主线程可以继续执行后续代码
示例:
//新建异步任务，30毫秒秒后执行
Task.Delay(30).ContinueWith(c =>
{
for (int i = 0; i < 50; i++)
{
Console.WriteLine(i + "这是Task在运行");
}
});
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
Console.WriteLine(i + "这是Task之后的程序在运行");
}
调试的时候你会发现，刚开始的时候的时候是先显示的"i这是Task之后的程序在运行"
之后在等带了30毫秒，后就会开始显示"i这是Task在运行"和"i这是Task之后的程序在运行"交叉显示
运行结果如下：
3.4.2 使用Task.Delay()和Awaiter实现延迟工作
示例:运行效果同上
Task.Delay(30).GetAwaiter().OnCompleted(() =>
{
for (int i = 0; i < 50; i++)
{
Console.WriteLine(i + "这是Awaiter在运行行");
}
});
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
Console.WriteLine(i + "这是Awaiter之后的程序在运行行");
}
Console.ReadKey();
3.5 Task对象的其他一些静态方法
| 方法名 | 说明 |
|---|---|
| Task.Wait | task1.Wait();就是等待任务执行（task1）完成，task1的状态变为Completed |
| Task.WaitAll | 待所有的任务都执行完成 |
| Task.WaitAny | 发同Task.WaitAll，就是等待任何一个任务完成就继续向下执行 |
3.6 取消异步操作
异步方法是可以请求终止运行的，
System.Threading.Tasks命名空间中有两个类是为此目的而设计的：CancellationToken和CancellationTokenSource。
下面看使用CancellationTokenSource和CancellationToken来实现取消某个异步操作。
这里使用Task.Run()为例，其第一个参数是一个Action委托，第二个参数就是CancellationToken对象
static void Main(string[] args)
{
CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();//生成一个CancellationTokenSource对象，该对象可以创建CancellationToken
CancellationToken ct = cts.Token;//获取一个令牌（token)，可以将令牌传递给多个任务，这样可以同时取消多个任务。
Task.Run(() =>
{
for (int i = 0; i < 20; i++)
{
if (ct.IsCancellationRequested)
{
return;
}
Thread.Sleep(1000);
Console.WriteLine($"异步程序的的循环：{i}");
}
}, ct);//注意Run()的第二个参数就是终止令牌token
for (int i = 0; i < 4; i++)
{
Thread.Sleep(1000);
Console.WriteLine($"主线程中循环：{i}");
}
Console.WriteLine("马上sts.Cancel(),即将要终止异步程序");
cts.Cancel();//含有该CancellationTokenSource的token的异步程序，终止！
Console.ReadKey();
}
运行结果：可以发现异步任务Task.Run()还没有完成，但是因为cst.Cancel()运行，token的属性IsCancellationRequested变为true,异步循环结束。
说明：取消一个异步操作的过程，注意，该过程是协同的。
即：调用CancellationTokenSource的Cancel时，它本身并不会执行取消操作。
而是会将CancellationToken的IsCancellationRequested属性设置为true。
包含CancellationToken的代码负责检查该属性，并判断是否需要停止执行并返回。
4.并行Linq（PLinq）
并行Linq 并不属于TPL，但是亦是并行操作，所以总结于此！
4.1 AsParallel()
System.Linq名称空间中有一个ParallelEnumerable类，该类中的方法可以分解Linq查询的工作，使其分布在多个线程上,即实现并行查询。
为并行运行而设计的LINQ查询称为PLINQ查询。
下面让我们先简单的理一理：
首先我们都知道Enumerable类为IEnumberable<T>接口扩展了一系列的静态方法。（就是我们使用Linq方法语法的中用的哪些常用的静态方法，自行F12）
正如MSDN中所说：“ParallelEnumberable是Enumberable的并行等效项”，ParallelEnumberable类则是Enumerable类的并行版本，
F12查看定义可以看到ParallelEnumerable类中几乎所有的方法都是对ParallelQuery<TSource>接口的扩展，
但是，在ParallelEnumberable类有一个重要的例外，AsParallel() 方法还对IEnumerable<T>接口的扩展，并且返回的是一个ParallelQuery<TSource>类型的对象，
所以呢？凡是实现了IEnumberable<T>接口的数据集可以通过调用静态方法AsParallel(),返回一个ParallelQuery
注意在运行PLinq的时候，PLinq会自动的判断如果查询能从并行化中受益，则将同时运行。而如果并行执行查询会损害性能，PLINQ将按顺序运行查询。
示例：求1到50000000中可以整除3的数，将所求的结果倒序存放在modThreeIsZero[]中
这是需要非常多的重复运算，所以我们可以对比按照一般Linq查询下方式和PLinq查询，对比一些需要的时间。
static void Main(string[] args)
{
int[] intArray = Enumerable.Range(1, 50000000).ToArray();
Stopwatch sw = new Stopwatch();
//顺序查询
sw.Start();
int[] modThreeIsZero1 = intArray.Select(n => n).Where(n => n % 3 == 0).OrderByDescending(n => n).ToArray();
sw.Stop();
Console.WriteLine($"顺序查询，运行时间：{sw.ElapsedMilliseconds}毫秒,可以整除3的个数:{modThreeIsZero1.Count()}");
//使用AsParallel()实现并行查询
//AsParallel()方法返回ParallelQuery<TSourc>类型对象。因为返回的类型，所以编译器选择的Select()、Where()等方法是ParallelEnumerable.Where()，而不是Enumerable.Where()。
sw.Restart();
int[] modThreeIsZero2 = intArray.AsParallel().Select(n => n).Where(n => n % 3 == 0).OrderByDescending(n => n).ToArray();
sw.Stop();
Console.WriteLine($"并行查询，运行时间：{sw.ElapsedMilliseconds}毫秒,可以整除3的个数:{modThreeIsZero2.Count()}");
Console.ReadKey();
}
说明：AsParallel()方法返回ParallelQuery<TSourc>类型对象。因为返回的类型，所以编译器选择的Select()、Where()等方法是ParallelEnumerable.Where()，而不是Enumerable.Where()。
运行结果：
可以对比结果，在大规模的Linq查询中，同步查询和并行查询两者的运行时间的差距还是很大的！
但是小规模的Linq查询二者的效果其实并没有很明显。
4.2 取消并行查询
在3.6取消异步操作中解释了如何取消一个长时间的任务，
那么对于长时间运行的PLinq也是可以取消的
同样是使用CancellationTokenSource生成一个CancellationToken对象作为token
怎么把token给PLinq呢？使用ParallelQuery<TSource>中静态方法WithCancellation(token)
在PLinq中，若是取消了并行操作，则会抛出OperationCanceledException
示例：
static void Main(string[] args)
{
//具体的作用和含义可以看0030取消一个异步操作
CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
CancellationToken ct = cts.Token;
int[] intArray = Enumerable.Range(1, 50000000).ToArray();
Task<int[]> task = Task.Run(() =>
{
try
{
int[] modThreeIsZero = intArray.AsParallel().WithCancellation(ct).Select(n => n).Where(n=> n% 3 == 0).OrderByDescending(n => n).ToArray();
return modThreeIsZero;
}
catch (OperationCanceledException ex)//一旦PLinq中取消查询就会触发OperationCanceledException异常
{
Console.WriteLine(ex.Message);//注意：Message的内容就是：已取消该操作
return null;
}
});
Console.WriteLine("取消PLinq?Y/N");
string input = Console.ReadLine();
if (input.ToLower().Equals("y"))
{
cts.Cancel();//取消并行查询
Console.WriteLine("取消了PLinq！");//undone:怎么验证已经真的取消了
}
else
{
Console.WriteLine("Loading……");
Console.WriteLine(task.Result.Count());
}
Console.ReadKey();
}
5.参考&源代码下载
至此 ，.NET 异步编程中之任务并行库【完】
唉，书真是越看越厚，皆是浅尝辄止！
