◆張文培 宋玉貴 潘錦莉

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簡析C#多核并行編程

◆張文培 宋玉貴 潘錦莉

（西安工業(yè)大學 陜西 710000）

隨著處理器多核化的不斷發(fā)展，計算機的硬件計算能力在不斷加強，軟件要充分利用計算機硬件技術帶來的好處，這就促成了并行計算成為軟件編程的主流。C#支持并行編碼，并且.NET Framework 4.0的并行擴展將并行編程的構造單元從線程提升到任務，極大程度地降低了編程難度，提升了編程效率。

多核；并行編程；任務；.NET

0 引言

多核處理器的出現(xiàn)使得傳統(tǒng)的串行編程模式無法利用多核、多處理器的優(yōu)勢，隨著多核、多處理器平臺的出現(xiàn)，多核編程也得到了更深層次的發(fā)展，而現(xiàn)在并行編程技術的發(fā)展并不能完全利用多核的優(yōu)勢，因而尋求新的并行編程技術是十分必要的[1]。

C#是.NET平臺中引入完全面向對象的編程語言，是C/C++的衍生語言，不但將C/C++的強大功能繼承下來，并且去掉了它們的一些復雜特性，是一種能快速高效地實現(xiàn)基于.NET平臺軟件開發(fā)的編程語言，且C#已經(jīng)支持并發(fā)代碼，這對于實現(xiàn)C#多核并行編程是十分必要且有利的。

1 多核并行編程概述

1.1 多核環(huán)境

隨著社會數(shù)字化、信息化的不斷發(fā)展，對于計算機對數(shù)據(jù)的處理速度要求越來越快，在現(xiàn)代計算機技術的不斷發(fā)展下，多核處理器已經(jīng)成為計算機的處理器的主流，現(xiàn)代計算機大多都至少有一個雙核的微處理器。

多核處理器是將兩個及其以上的具有完全功能的核心集成在同一個芯片上，并將整個芯片作為整體對外輸出[1]。多核處理器所集成的核心可以是單線程處理核心或多線程處理核心，集成后的多核處理器可同時執(zhí)行的線程數(shù)或任務書是原本單處理器的數(shù)倍，這為處理器實現(xiàn)更高程度的并行提供了可能。并且，由于所有的核心都集成在片內(nèi)，這就縮短了核心之間通信更高效，縮短核間的通信延遲，數(shù)據(jù)傳輸帶寬也得到了提高[2]。除此之外，由于多核處理器的集成性，功耗降低，提高了其片上資源的利用率。由于多核處理器結構簡單，易于優(yōu)化，擴展性強，這些特點使得多核的發(fā)展并逐漸取代單處理器成為主流[3]。

1.2. 并行編程

傳統(tǒng)的串行代碼是順序執(zhí)行，且只用一個處理器，但隨著現(xiàn)在多核的普及，串行程序無法充分利用多核的特點，這就促進了多核并行程序設計的出現(xiàn)。并行程序設計是指同時對多個任務、多條指令或多個數(shù)據(jù)項同時進行處理，是程序設計的一種形式，能夠充分利用底層硬件所提供的并行執(zhí)行能力從而提高程序的運行效率。

并行程序設計的重點就是要找到程序中的并行性，盡可能降低由于并行化引起的開銷[4]。有時，并行化并不是優(yōu)化算法的最佳選擇，如果相比于串行執(zhí)行的方式，并行化能夠帶來顯著地性能提升，那么并行化才有意義。判斷是否適合并行化并沒有一勞永逸的方法——一切都取決于特定問題的功能需求和性能需求。在對現(xiàn)有程序進行并行優(yōu)化的時候，必須理解現(xiàn)有的串行設計，或者理解提供了有限可擴展性的并行化算法，然后再對現(xiàn)有設計進行重構，從而使其獲得性能提升，而且不會引入問題或產(chǎn)生不同的結果。在衡量程序并行化的效果時，可以用加速比來比較并行效果。其中，是加速比，是串行運算時間，也可表示為單處理器運行時間；是在有個核的處理器上的運行時間。

1.3 NET Framework 4

在傳統(tǒng)的順序式代碼中，指令一條接著一條運行，這種方式并不能發(fā)揮多內(nèi)核的優(yōu)勢，因為順序指令只能運行在一個可用內(nèi)核上。因此，在多核環(huán)境下，軟件設計和程序編寫能夠準備好充分發(fā)揮多核系統(tǒng)的功能是一件十分重要的事情，但使用Visual C# 2010編寫的順序代碼并不能發(fā)揮多核的優(yōu)勢，除非利用.NET Framework4所提供的新功能將任務分解到多個內(nèi)核上，Visual C# 2010和.NET Framework 4使得將基于任務的設計轉換為并行化代碼變得非常簡單。

NET Framework 4.0可實現(xiàn)創(chuàng)建并行代碼新模型，這個新模型稱為輕量級并發(fā)，這個模型減少了在不同邏輯內(nèi)核上創(chuàng)建和執(zhí)行代碼所需要的總開銷。這并不是說能夠完全消除并行化帶來的開銷，但是這個模型本身是為現(xiàn)代多核微處理器而設計的。重量級并發(fā)模型是在多處理器的時代出現(xiàn)的，在那個時代計算機可能有很多物理微處理器，每個微處理器只有一個內(nèi)核。輕量級的并發(fā)模型考慮了新的微架構，這個架構中有很多由一些物理內(nèi)核支撐的邏輯內(nèi)核。輕量級并發(fā)模型并不只是關注不同邏輯內(nèi)核之間的作業(yè)調(diào)度，它還在框架級別添加了對多線程訪問的支持，從而使得代碼更容易理解。為了應對多核和眾核的負載型，.NET Framework引入了新的Task Parallel Library（任務并行庫，TPL），TPL是在多核時代應運而生的，TPL提供了一個輕量級的框架，可以讓開發(fā)人員可以應付各種不同的并行場合。

2 C#并行編程

TPL引入了一個新的命名空間System.Threading.Task.通過這個命名空間可以引用.NET Framework 4中并行編程所需要的類、結構和枚舉[5]。

TPL支持的數(shù)據(jù)場合主要包括以下三種。

（1）數(shù)據(jù)并行（data parallelism）

需要有大量數(shù)據(jù)需要處理，而且必須對每一份數(shù)據(jù)執(zhí)行相同的操作。

（2）任務并行（task parallelism）

有很多可以并發(fā)運行的不同操作，通過任務并行發(fā)揮并行化的優(yōu)勢。

（3）流水線（pipelining）

是任務并行和數(shù)據(jù)并行的結合體。

2.1 Parallel

C#實現(xiàn)并行編程最簡單、最基礎的方法就是利用Parallel類，在編寫并行代碼的時候通過使用Parallel靜態(tài)類（System.Threading.Tasks.Parallel）所提供的方法實現(xiàn)并行循環(huán)。

2.1.1 Parallel. Invoke、Parallel.For、Parallel.ForEach

在Parallel下面有三個常用的方法Invoke，F(xiàn)or和ForEach。在需要使用的時候，引入命名空間System.Threading.Tasks，即可直接編輯Parallel.Invoke、Parallel.For、Parallel.ForEach指令。

Parallel.For——為固定數(shù)目的獨立For循環(huán)迭代提供了負載均衡的潛在并行執(zhí)行。

Parallel.ForEach——為固定數(shù)目的獨立For Each循環(huán)迭代提供了負載均衡的潛在的并行執(zhí)行。這個方法支持自定義的分區(qū)器，可以更好地掌握數(shù)據(jù)分發(fā)。

Parallel.Invoke——對給定的獨立任務提供潛在的并行執(zhí)行。

2.1.2 Parallel退出循環(huán)和異常處理

（1）退出并行循環(huán)

在串行循環(huán)中，想要退出循環(huán)，直接使用break語句即可直接退出。但在并行循環(huán)中，并行循環(huán)參數(shù)提供了一個ParallelLoopState，可用于終止Parallel.For和Parallel.ForEach。ParallelLoopState的loopState實例提供了Break和Stop兩種方法。

Break——通知并行計算盡快退出循環(huán)，在完成當前迭代后盡快地停止執(zhí)行。

Stop——通知并行計算立即停止執(zhí)行。

（2）并行循環(huán)的異常處理

在串行循環(huán)中，普通的Exception就可捕獲異常，但由于在并行計算過程中，多個迭代在同時進行，就會產(chǎn)生N個異常并行出現(xiàn)，傳統(tǒng)的異常管理方式已經(jīng)不能滿足，為并行計算而產(chǎn)生的新的System.AggregateException即可捕獲到并行計算中異常。AggregateException包含了一個或多個在并行和并發(fā)代碼執(zhí)行過程中產(chǎn)生的異常[4]。

2.2 Task

處理并行計算時，通常使用的方式就是多線程，在.NET Framework 4之前使用最多的就是Thread，通過創(chuàng)建多個線程或者利用線程池的方法來實現(xiàn)并行計算。但在.NET Framework 4之后，TPL引入了新的基于任務的編程模型，這種編程模型同樣可以充分發(fā)揮多核的優(yōu)勢，優(yōu)化程序，不需要編寫底層、復雜且重量級的線程代碼，創(chuàng)建任務比創(chuàng)建線程具有更小的性能開銷。但是任務和線程之間還是有區(qū)別的。

（1）任務是架構在線程之上的，即任務運行的時候還是需要線程實現(xiàn)。

（2）任務與線程之間并不是一對一的關系，一個線程可以運行多個任務，一個任務也可由多個線程完成。

（3）創(chuàng)建任務相較于創(chuàng)建線程而言開銷更小。

2.2.1 Task的生命周期

Task的初始狀態(tài)：

Created：利用構造函數(shù)創(chuàng)建Task實例時的初始狀態(tài)，利用Task.Factory.StartNew創(chuàng)建時直接跳過。

WaitingToRun：利用Task.Factory.StartNew進行創(chuàng)建時的初始狀態(tài)。

RanToCompletion：任務執(zhí)行完畢。

創(chuàng)建Task的方法有兩種：

（1）利用構造函數(shù)

vartask1=new Task()（=>{ }）；

（2）利用Task.Factory.StartNew進行創(chuàng)建

Var task2=Task.Factory.StartNew()（=>{ }）；

2.2.2 Task的任務控制

Task的特點就在于其任務控制部分，編程人員可以通過調(diào)整Task的執(zhí)行順序，從而實現(xiàn)Task的有序工作，Task提供了以下幾種方法。

（1）Task.Wait()——當前線程一直等待任務執(zhí)行完成后執(zhí)行。

（2）Task.WaitAll()——當前線程會等待Task實例以Task數(shù)組的形式作為參數(shù)被接受，Task之間通過逗號隔開，這個方法是同步執(zhí)行的。

（3）Task.ContinueWith()——第一個Task完成后自動啟動下一個Task，實現(xiàn)Task的延續(xù)。

（4）Task的取消

Task是并行計算的，在.NET Framework 4.0中提供了一個取消標記（CancellationTokenSource.Token），在創(chuàng)建task的時候傳入此參數(shù)，就可以將主線程和任務相關聯(lián)，然后在任務中調(diào)用ThrowIfCancellationRequested方法來等待主線程使用Cancel來通知，一旦cancel被調(diào)用，task將會拋出OperationCanceledException來中斷此任務的執(zhí)行，Task實例會轉入TaskStatus.Canceled狀態(tài)，并且IsCanceled屬性才回被設置為true。

2.2.3 Task的異常處理

當很多任務并行運行的時候，可能會并行發(fā)生很多異常。Task實例能夠處理一組一組的異常，這些異常利用System.AggregateException類處理。初次之外，通過Task的屬性也可判斷Task的狀態(tài)，例如：IsCompleted，IsFaulted，IsCancelled等。

3 總結

隨著多核時代的到來，多核并行編程已然成為并行編程的主流模式，.NET Framework 4.0增加的TPL，很好地滿足了多核處理器的應用要求。Parallel類和Task類的出現(xiàn)使得在編寫并行計算的程序時，不需要考慮底層的運行機制，極大地簡化了程序的復雜性，并且相較于之前通過創(chuàng)建多線程實現(xiàn)并行編程的方法而言，程序性能開銷更小，更靈活。所以，在用C#實現(xiàn)多核并行編程時，可以更多地通過TPL的方式實現(xiàn)。

[1]彭曉明，郭浩然，龐建民.多核處理器——技術、趨勢和挑戰(zhàn)[J].計算機科學，2012.

[2]曹折波，李青.多核處理器并行編程模型的研究與設計[J].計算機工程與設計，2010.

[3]黃國睿，張平，魏廣博. 多核處理器的關鍵技術及其發(fā)展趨勢[J].計算機工程與設計，2009.

[4]高嵐，王銳，錢德沛.多核處理器并行程序的確定性重放研究[J].軟件學報，2013.

[5]Hillar G. Professional Parallel Programming with C#：Master Parallel Extensions with. NET 4[M].Wrox Press Ltd. 2010.