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C#并行编程-Task

作者：释迦苦僧

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2020-12-15

编辑推荐:

本文主要讲解了C#并行编程-相关概念、Paralle、Task、并发集合、线程同步原语以及PLINQ:声明式数据并行等相关内容。
本文来自于博客园，由火龙果Anna编辑推荐

任务简介

TPL引入新的基于任务的编程模型，通过这种编程模型可以发挥多核的功效，提升应用程序的性能，不需要编写底层复杂且重量级的线程代码。

但需要注意：任务并不是线程（任务运行的时候需要使用线程，但并不是说任务取代了线程，任务代码是使用底层的线程（软件线程，调度在特定的硬件线程或逻辑内核上）运行的，任务与线程之间并没有一对一的关系。）

创建一个新的任务时，调度器（调度器依赖于底层的线程池引擎）会使用工作窃取队列找到一个最合适的线程，然后将任务加入队列，任务所包含的代码会在一个线程中运行。如图：

System.Threading.Tasks.Task

一个Task表示一个异步操作，Task提供了很多方法和属性，通过这些方法和属性能够对Task的执行进行控制，并且能够获得其状态信息。

Task的创建和执行都是独立的，因此可以对关联操作的执行拥有完全的控制权。

使用Parallel.For、Parallel.ForEach的循环迭代的并行执行，TPL会在后台创建System.Threading.Tasks.Task的实例。

使用Parallel.Invoke时，TPL也会创建与调用的委托数目一致的System.Threading.Tasks.Task的实例。

注意项

程序中添加很多异步的操作作为Task实例加载的时候，为了充分利用运行时所有可用的逻辑内核，任务调度器会尝试的并行的运行这些任务，也会尝试在所有的可用内核上对工作进行负载均衡。

但在实际的编码过程当中，并不是所有的代码片段都能够方便的用任务来运行，因为任务会带来额外的开销，尽管这种开销比添加线程所带来的开销要小，但是仍然需要将这个开销考虑在内。

Task状态与生命周期

一个Task实例只会完成其生命周期一次，当Task到达它的3种肯呢过的最终状态之一是，就无法回到之前的任何状态

下面贴代码，详解见注释，方便大家理解Task的状态：

class Program
{
/* coder:释迦苦僧 */
static void Main(string[] args)
{
/* 创建一个任务不调用不执行状态为Created */
Task tk = new Task(() =>
{
});
Console.WriteLine(tk.Status.ToString());

/* 创建一个任务执行状态为 WaitingToRun */
Task tk1 = new Task(() =>
{
});
tk1.Start();/*对于安排好的任务，就算调用Start方法也不会立马启动此时任务的状态为WaitingToRun*/
Console.WriteLine(tk1.Status.ToString());

/* 创建一个主任务 */
Task mainTask = new Task(() =>
{
SpinWait.SpinUntil(() =>
{
return false;
}, 30000);
});
/* 将子任务加入到主任务完成之后执行 */
Task subTask = mainTask.ContinueWith((t1) =>
{
});
/* 启动主任务 */
mainTask.Start();
/* 此时子任务状态为 WaitingForActivation */
Console.WriteLine(subTask.Status.ToString());

/* 创建一个任务执行后等待一段时间并行未结束的情况下状态为 Running */
Task tk2 = new Task(() =>
{
SpinWait.SpinUntil(() => false, 30000);
});
tk2.Start();/*对于安排好的任务，就算调用Start方法也不会立马启动*/
SpinWait.SpinUntil(() => false, 300);
Console.WriteLine(tk2.Status.ToString());

/* 创建一个任务然后取消该任务状态为Canceled */
CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
Task tk3 = new Task(() =>
{
for (int i = 0; i < int.MaxValue; i++)
{
if (!cts.Token.IsCancellationRequested)
{
cts.Token.ThrowIfCancellationRequested();
}
}
}, cts.Token);
tk3.Start();/*启动任务*/
SpinWait.SpinUntil(() => false, 100);
cts.Cancel();/*取消该任务执行但并非立马取消所以对于Canceled状态也不会立马生效*/
SpinWait.SpinUntil(() => false, 1000);
Console.WriteLine(tk3.Status.ToString() + " " + tk3.IsCanceled);
SpinWait.SpinUntil(() => false, 1000);
Console.WriteLine(tk3.Status.ToString() + " " + tk3.IsCanceled);
SpinWait.SpinUntil(() => false, 1000);
Console.WriteLine(tk3.Status.ToString() + " " + tk3.IsCanceled);

/*创建一个任务让它成功的运行完成会得到 RanToCompletion 状态*/
Task tk4 = new Task(() =>
{
SpinWait.SpinUntil(() => false, 10);
});
tk4.Start();
SpinWait.SpinUntil(() => false, 300);
Console.WriteLine(tk4.Status.ToString());

/*创建一个任务让它运行失败会得到 Faulted 状态*/
Task tk5 = new Task(() =>
{
throw new Exception();
});
tk5.Start();
SpinWait.SpinUntil(() => false, 300);
Console.WriteLine(tk5.Status.ToString());

Console.ReadLine();
}
}

class Product
{
public string Name { get; set; }
public string Category { get; set; }
public int SellPrice { get; set; }
}

使用任务来对代码进行并行化

使用Parallel.Invoke可以并行加载多个方法，使用Task实例也能完成同样的工作，下面贴代码：

class Program
{
private static ConcurrentQueue<Product> queue = null;
/* coder:释迦苦僧 */
static void Main(string[] args)
{
queue = new ConcurrentQueue<Product>();
Task tk1 = new Task(() => { SetProduct(1); SetProduct(3);});
Task tk2 = new Task(() => SetProduct(2));
tk1.Start();
tk2.Start();

Console.ReadLine();
}
static void SetProduct(int index)
{
Parallel.For(0, 10000, (i) =>
{
Product model = new Product();
model.Name = "Name" + i;
model.SellPrice = i;
model.Category = "Category" + i;
queue.Enqueue(model);
});
Console.WriteLine("SetProduct {0} 执行完成", index);
}
}
class Product
{
public string Name { get; set; }
public string Category { get; set; }
public int SellPrice { get; set; }
}

等待任务完成Task.WaitAll

Task.WaitAll 方法，这个方法是同步执行的，在Task作为参数被接受，所有Task结束其执行前，主线程不会继续执行下一条指令，下面贴代码

Task tk3 = new Task(() => { SetProduct(1); SetProduct(3); });
Task tk4 = new Task(() => SetProduct(2));
tk3.Start();
tk4.Start();
/*等待任务执行前输出 ====== */
Console.WriteLine("等待任务执行前输出 ======");
Task.WaitAll(tk3, tk4);

Console.ReadLine();
}
static void SetProduct(int index)
{
Parallel.For(0, 10000, (i) =>
{
Product model = new Product();
model.Name = "Name" + i;
model.SellPrice = i;
model.Category = "Category" + i;
queue.Enqueue(model);
});
Console.WriteLine("SetProduct {0} 执行完成", index);
}
}

Task.WaitAll 限定等待时长

queue = new ConcurrentQueue<Product>();
Task tk1 = new Task(() => { SetProduct(1); SetProduct(3);});
Task tk2 = new Task(() => SetProduct(2));
tk1.Start();
tk2.Start();

/*如果tk1 tk2 没能在10毫秒内完成则输出 ***** */
if (!Task.WaitAll(new Task[] { tk1, tk2 }, 10))
{
Console.WriteLine("******");
}

Console.ReadLine();

如图10毫秒没有完成任务，则输出了****

通过取消标记取消任务

通过取消标记来中断Task实例的执行。 CancellationTokenSource，CancellationToken下的IsCanceled属性标志当前是否已经被取消，取消任务，任务也不一定会马上取消，下面贴代码：

class Program
{
private static ConcurrentQueue<Product> queue = null;
/* coder:释迦苦僧 */
static void Main(string[] args)
{
queue = new ConcurrentQueue<Product>();
System.Threading.CancellationTokenSource token = new CancellationTokenSource();
Task tk1 = Task.Factory.StartNew(() => SetProduct(token.Token));
Task tk2 = Task.Factory.StartNew(() => SetProduct(token.Token));
Thread.Sleep(10);
/*取消任务操作*/
token.Cancel();
try
{
/*等待完成*/
Task.WaitAll(new Task[] { tk1, tk2 });
}
catch (AggregateException ex)
{
/*如果当前的任务正在被取消，那么还会抛出一个TaskCanceledException异常，这个异常包含在AggregateException异常中*/
Console.WriteLine("tk1 Canceled：{0}", tk1.IsCanceled);
Console.WriteLine("tk1 Canceled：{0}", tk2.IsCanceled);
}

Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine("tk1 Canceled：{0}", tk1.IsCanceled);
Console.WriteLine("tk1 Canceled：{0}", tk2.IsCanceled);
Console.ReadLine();
}
static void SetProduct(System.Threading.CancellationToken ct)
{
/* 每一次循环迭代，都会有新的代码调用 ThrowIfCancellationRequested
* 这行代码能够对 OpreationCanceledException 异常进行观察
* 并且这个异常的标记与Task实例关联的那个标记进行比较，如果两者相同，而且IsCancelled属性为True，那么Task实例就知道存在一个要求取消的请求，并且会将状态转变为Canceled状态，中断任务执行。
* 如果当前的任务正在被取消，那么还会抛出一个TaskCanceledException异常，这个异常包含在AggregateException异常中
/*检查取消标记*/
ct.ThrowIfCancellationRequested();
for (int i = 0; i < 50000; i++)
{
Product model = new Product();
model.Name = "Name" + i;
model.SellPrice = i;
model.Category = "Category" + i;
queue.Enqueue(model);

ct.ThrowIfCancellationRequested();
}
Console.WriteLine("SetProduct 执行完成");
}
}
class Product
{
public string Name { get; set; }
public string Category { get; set; }
public int SellPrice { get; set; }
}

Task异常处理

当很多任务并行运行的时候，可能会并行发生很多异常。Task实例能够处理一组一组的异常，这些异常有System.AggregateException类处理

static void SetProduct(System.Threading.CancellationToken ct)
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
throw new Exception(string.Format("Exception Index {0}", i));
}
Console.WriteLine("SetProduct 执行完成");
}
}

Task返回值

Task<TResult>

class Program
{
/* coder:释迦苦僧 */
static void Main(string[] args)
{
Task<List<Product>> tk1 = Task<List<Product>>.Factory.StartNew(() => SetProduct());
Task.WaitAll(tk1);
Console.WriteLine(tk1.Result.Count);
Console.WriteLine(tk1.Result[0].Name);
Console.ReadLine();
}
static List<Product> SetProduct()
{
List<Product> result = new List<Product>();
for (int i = 0; i < 500; i++)
{
Product model = new Product();
model.Name = "Name" + i;
model.SellPrice = i;
model.Category = "Category" + i;
result.Add(model);
}
Console.WriteLine("SetProduct 执行完成");
return result;
}
}

通过延续串联多个任务

ContinueWith:创建一个目标Task完成时，异步执行的延续程序，await，如代码所示：

class Program
{
/* coder:释迦苦僧 */
static void Main(string[] args)
{
/*创建任务t1*/
Task t1 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
Console.WriteLine("执行 t1 任务");
SpinWait.SpinUntil(() =>
{
return false;
}, 2000);

});
/*创建任务t2 t2任务的执行依赖与t1任务的执行完成*/
Task t2 = t1.ContinueWith((t) =>
{
Console.WriteLine("执行 t2 任务");
SpinWait.SpinUntil(() =>
{
return false;
}, 2000);

});
/*创建任务t3 t3任务的执行依赖与t2任务的执行完成*/
Task t3 = t2.ContinueWith((t) =>
{
Console.WriteLine("执行 t3 任务");
});
Console.ReadLine();
}
}

TaskContinuationOptions

TaskContinuationOptions参数，可以控制延续另一个任的任务调度和执行的可选行为。下面看代码：

/*创建任务t2 t2任务的执行依赖与t1任务的执行完成*/
Task t2 = t1.ContinueWith((t) =>
{
Console.WriteLine(t.Status);
Console.WriteLine("执行 t2 任务");
SpinWait.SpinUntil(() =>
{
return false;
}, 2000);

/*定义 TaskContinuationOptions 行为为 NotOnFaulted 在 t1 任务抛出异常后，t1 的任务状态为 Faulted ，则t2 不会执行里面的方法但是需要注意的是t3任务*/
/*t2在不符合条件时返回Canceled状态状态让t3任务执行*/
}, TaskContinuationOptions.NotOnFaulted);
/*创建任务t3 t3任务的执行依赖与t2任务的执行完成*/

/*t2在不符合条件时返回Canceled状态状态让t3任务执行*/
Task t3 = t2.ContinueWith((t) =>
{
Console.WriteLine(t.Status);
Console.WriteLine("执行 t3 任务");
});

Console.ReadLine();
}
}

TaskContinuationOptions 属性有很多，如下所示

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