Шакти Танвар Параллельное программирование на C# и .NET Core Hands-On Parallel Programming with C# and .NET Core Build solid enterprise software using task parallelism and multithreading Shakti Tanwar BIRMINGHAM – MUMBAI Параллельное программирование на C# и .NET Core Создание надежного корпоративного программного обеспечения с использованием параллелизма и многопоточности Шакти Танвар Москва, 2022 NET -018.2 Т18 Т18 Танвар Ш. Параллельное программирование на C# и .NET Core / пер. с англ. А. Д. Ворониной; ред. В. Н. Черников. – М.: ДМК Пресс, 2021. – 272 с.: ил. Книга представляет подход к параллельному программированию с учетом современных реалий. Информация структурирована таким образом, чтобы она легко усваивалась, даже если читатель не обладает специальными знаниями. Рассматриваются общие принципы написания параллельного и асинхронного кода; реализация параллелизма данных показана на коротких и простых примерах. В конце глав приводятся вопросы для повторения пройденного. Издание предназначено для программистов C#, которые хотят изучить концепции параллельного программирования и многопоточности, а затем использовать полученные знания для приложений, построенных на базе .NET Core. Также оно пригодится специалистам, желающим ознакомиться с принципами работы параллельного программирования на современном оборудовании. NET -018.2 First published in the English language under the title ‘Hands-On Parallel Programming with C# 8 and .NET Core 3 – (9781789132410)’. Russian language edition Press. . Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами владельцев авторских прав. (англ.) (рус.) © Packt Publishing, 2019 © Перевод, оформление, издание, ДМК Пресс, 2021 Посвящается моим жене и сыну, Кирти Танвар и Шашвату Сингх Танвар. Они мой жизненно необходимый кислород и стимул, вдохновляющий меня на достижение выдающихся успехов Содержание От издательства.......................................................................................................14 Об авторе...................................................................................................................15 О переводе................................................................................................................16 О рецензентах..........................................................................................................17 Предисловие.............................................................................................................18 Часть I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ С ПОТОКАМИ, МНОГОЗАДАЧНОСТИ И АСИНХРОННОСТИ .........................................22 . Введение в параллельное программирование...........................23 Технические требования. ..........................................................................................24 Подготовка к многоядерным вычислениям...........................................................24 Процессы..................................................................................................................24 Дополнительно об ОС........................................................................................24 Многозадачность....................................................................................................25 Hyper-threading.......................................................................................................25 Классификация Флинна. ...................................................................................26 Потоки......................................................................................................................27 Типы потоков......................................................................................................27 Многопоточность. ..................................................................................................30 Класс Thread........................................................................................................31 Класс ThreadPool.................................................................................................35 BackgroundWorker...............................................................................................38 Многопоточность и многозадачность.................................................................41 Сценарии, при которых полезно параллельное программирование.................42 Преимущества и недостатки параллельного программирования......................42 Резюме..........................................................................................................................43 Вопросы........................................................................................................................44 . Параллелизм задач................................................................................45 Технические требования. ..........................................................................................45 Задачи...........................................................................................................................46 Создание и запуск задачи..........................................................................................46 Класс System.Threading.Tasks.Task.......................................................................47 Синтаксис лямбда-выражений. .......................................................................47 Делегат Action.....................................................................................................47 Делегат.................................................................................................................47 Содержание  7 Метод System.Threading.Tasks.Task.Factory.StartNew........................................48 Синтаксис лямбда-выражений. .......................................................................48 Делегат Action.....................................................................................................48 Делегат.................................................................................................................48 Метод System.Threading.Tasks.Task.Run..............................................................49 Синтаксис лямбда-выражений. .......................................................................49 Делегат Action.....................................................................................................49 Делегат.................................................................................................................49 Метод System.Threading.Tasks.Task.Delay. ..........................................................49 Метод System.Threading.Tasks.Task.Yield. ...........................................................50 Метод System.Threading.Tasks.Task.FromResult...........................................52 Методы System.Threading.Tasks.Task.FromException и System.Threading.Tasks.Task.FromException..............................................53 Методы System.Threading.Tasks.Task.FromCanceled и System.Threading.Tasks.Task.FromCanceled...............................................53 Результаты выполнения задач..................................................................................54 Отмена задач...............................................................................................................55 Создание метки. .....................................................................................................55 Создание задач с использованием меток...........................................................56 Опрос состояния метки через свойство IsCancellationRequested...............56 Регистрация отмены запроса с помощью делегата обратного вызова......57 Ожидание выполнения задач...................................................................................58 Task.Wait...................................................................................................................59 Task.WaitAll..............................................................................................................59 Task.WaitAny............................................................................................................60 Task.WhenAll............................................................................................................60 Task.WhenAny..........................................................................................................61 Обработка исключений в задачах............................................................................61 Обработка исключений из одиночных задач.....................................................62 Обработка исключений из нескольких задач. ...................................................62 Обработка исключений задач с помощью обратного вызова.........................63 Преобразование шаблонов APM в задачи...............................................................64 Преобразование EAP в задачи..................................................................................66 И еще о задачах...........................................................................................................67 Цепочки задач.........................................................................................................67 Продолжение выполнения задач с помощью метода Task.ContinueWith..............................................................................................68 Продолжение выполнения задач с помощью Task.Factory.ContinueWhenAll и Task.Factory.ContinueWhenAll. ..........69 Продолжение выполнения задач с помощью Task.Factory.ContinueWhenAny и Task.Factory.ContinueWhenAny........69 Родительские и дочерние задачи.........................................................................70 Создание отсоединенной задачи.........................................................................70 Создание присоединенной задачи......................................................................71 Очереди с перехватом работы..................................................................................72 Резюме..........................................................................................................................74 8  Содержание . Реализация параллелизма данных..................................................75 Технические требования. ..........................................................................................75 От последовательных циклов к параллельным. ....................................................75 Метод Parallel.Invoke..............................................................................................76 Метод Parallel.For. ..................................................................................................78 Метод Parallel.ForEach. ..........................................................................................79 Степень параллелизма...............................................................................................80 Создание своей стратегии разделения данных. ....................................................82 Разделение данных по диапазону. ......................................................................83 Разделение данных по блокам.............................................................................83 Отмена циклов............................................................................................................84 Использование метода Parallel.Break..................................................................85 Использование ParallelLoopState.Stop. ...............................................................86 Использование CancellationToken для отмены циклов. ...................................87 Хранение данных в параллельных циклах.............................................................88 Локальная переменная потока.............................................................................89 Локальная переменная блока данных.................................................................90 Резюме..........................................................................................................................91 Вопросы........................................................................................................................91 . Использование PLINQ...........................................................................93 Технические требования. ..........................................................................................93 LINQ-провайдеры в .NET...........................................................................................93 Создание PLINQ-запросов.........................................................................................94 Знакомство с классом ParallelEnumerable. .........................................................94 Наш первый запрос PLINQ....................................................................................95 Сохранение порядка в PLINQ при параллельном исполнении...........................96 Последовательное выполнение с использованием метода AsUnOrdered()......97 Параметры объединения данных в PLINQ..............................................................98 Параметр NotBuffered............................................................................................98 Параметр AutoBuffered..........................................................................................99 Параметр FullyBuffered........................................................................................100 Отправка и обработка исключений с помощью PLINQ......................................102 Объединение параллельных и последовательных запросов LINQ. ..................104 Отмена запросов PLINQ...........................................................................................104 Недостатки параллельного программирования с помощью PLINQ.................106 Факторы, влияющие на производительность PLINQ (ускорения). ...................106 Степень параллелизма.........................................................................................107 Настройка объединения данных........................................................................107 Тип разделения данных.......................................................................................107 Когда нужно сохранять последовательное исполнение в PLINQ?. ...............107 Порядок работы....................................................................................................108 ForAll против вызова ToArray() или ToList().....................................................108 Принудительный параллелизм..........................................................................108 Генерация последовательностей........................................................................108 Резюме........................................................................................................................109 Вопросы......................................................................................................................110 Содержание  9 Часть II. СТРУКТ УРЫ ДАННЫХ .NET CORE, КОТОРЫЕ ПОД ДЕРЖИВАЮТ ПАРАЛЛЕЛИЗМ ...................................111 . Примитивы синхронизации..............................................................112 Технические требования. ........................................................................................112 Что такое примитивы синхронизации?................................................................113 Операции со взаимоблокировкой..........................................................................113 Барьеры доступа к памяти в .NET......................................................................115 Что такое изменение порядка?. .........................................................................115 Типы барьеров памяти. .......................................................................................116 Как избежать изменения порядка. ....................................................................117 Введение в примитивы блокировки......................................................................118 Как работает блокировка.....................................................................................118 Состояния потока.................................................................................................118 Блокировка или вращение?................................................................................119 Блокировка, мьютекс и семафор........................................................................120 Lock.....................................................................................................................120 Mutex..................................................................................................................123 Semaphore..........................................................................................................124 ReaderWriterLock...................................................................................................126 Введение в сигнальные примитивы......................................................................126 Thread.Join. ............................................................................................................126 EventWaitHandle....................................................................................................128 AutoResetEvent..................................................................................................128 ManualResetEvent. ............................................................................................129 WaitHandles............................................................................................................131 Легковесные примитивы синхронизации............................................................134 Slim locks................................................................................................................134 ReaderWriterLockSlim.......................................................................................135 SemaphoreSlim. .................................................................................................136 ManualResetEventSlim......................................................................................137 События Barrier и CountDownEvent........................................................................137 Примеры использования Barrier и CountdownEvent.......................................138 SpinWait......................................................................................................................140 SpinLock..................................................................................................................141 Резюме........................................................................................................................142 Вопросы......................................................................................................................142 . Использование параллельных коллекций..................................144 Технические требования. ........................................................................................144 Введение в параллельные коллекции....................................................................144 Знакомство с IProducerConsumerCollection................................................145 Использование ConcurrentQueue . ..........................................................145 Производительность Queue в сравнении с ConcurrentQueue.......148 Использование ConcurrentStack . ............................................................148 Создание параллельного стека. .....................................................................149