1.簡介
System.Threading.Tasks中的類型被稱為任務並行庫（Task Parallel Library，TPL）。
System.Threading.Tasks 命名空間是.NET Framework4.0所提供，
“TPL使用CLR線程池自動將應用程序的工作動態分配到可用的CPU中。TPL還處理工作分區、線程調度、狀態管理和其他低級別的細節操作。最終結果是，你可以最大限度地提升.NET應用程序的性能，並且避免直接操作線程所帶來的復雜性” --《精通C#》
2.Parallel類
2.0 Parallel類簡介
在System.Threading.Tasks命名空間下有一個靜態類：Parallel類
Parallel可以實現對實現了IEnumerable接口的數據集合的每一個元素並行操作
有一點要說明的：並行操作會帶來一定的成本，如果任務本身能很快完成，或是循環次數很少，那么並行處理的速度也許會比非並行處理還慢。
Parallel類就只有有三個方法：Parallel.For()、Parallel.ForEach()和Parallel.Invoke()
但是呢，這每個方法都有大量的重載（F12-->自行查看Parallel定義）
2.1 Parallel.For()
使用Parallel.For()可以對數組中的每一個元素進行並行操作
正常的遍歷數組是按照索引的順序執行的,但是並行操作，對數組的每一個元素的操作不一定按照索引順序操作
Parallel.For(),第一個參數是循環開始的索引（包含），第二個參數是循環結束的索引（不含）
Parallel.For()的第三個參數是一個有參數無返回值的委托，其參數是數組的索引
其實就相當於：for (int i = 0; i < length; i++)的異步版本,只是在這里是並行操作，所以並不按照數組中元素的順序執行，具體的執行順序是不可控的。
示例
static void Main(string[] args)
{
int[] intArray = new int[] { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };
Console.WriteLine("------------常規，對數組進行循環遍歷------------");
Array.ForEach(intArray, n => Console.WriteLine($"當前操作的數組元素是{n}"));//注意這里的參數n是元素而不是索引
Console.WriteLine("------------並行操作 對數組進行循環遍歷------------");
Parallel.For(0, intArray.Length, (i) => Console.WriteLine($"當前循環次數{i},當前操作的數組元素是{intArray[i]}"));
Console.ReadKey();
}
運行結果：可以看出，對數組的元素的操作順序並不是按照索引的順序，而是不確定的。
2.2 Parallel.ForEach()
Parallel.ForEach()用於對泛型可枚舉對象的元素進行並行操作
其實就相當於：foreach (var item in collection)的異步版本
Parallel.ForEach()有大量的重載，這里展示一個簡單的操作
Parallel.ForEach()的第一個參數是待操作的可枚舉對象，第二個參數是一個有參數無返回值的委托，該委托參數是集合的元素（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()對指定一系列操作並行運算
參數是一個Action委托數組(注意只能是Action[],即只能是無返回值的委托數組)
至於怎么使用Parallel.Invoke()執行帶參數的委托，見.NET異步程序設計——給線程傳遞數據
Parallel.Invoke()最常見用於並發請求接口
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();
}
運行結果：
2.4 補充：線程安全集合
詳細可以參考微軟的在線文檔
多線程對同一個數據集合同時讀寫操作，可能會造成數據的混亂
.NET4 引入了System.Collections.Concurrent 命名空間，其中包含多個線程安全的數據集合類型。
現在的新項目中，只要是對數據集合進行多線程的增刪操作，就應該使用並發集合類。
但是，如果僅從集合進行多線程的讀取，則可使用一般的數據集合，即 System.Collections.Generic 命名空間中的類。
.net 中線程安全的數據集合有一下一些：
| 類型 | 描述 |
|---|---|
| BlockingCollection | 為實現 IProducerConsumerCollection 的所有類型提供限制和阻止功能。 有關詳細信息，請參閱 BlockingCollection 概述。 |
| ConcurrentDictionary | 鍵值對字典的線程安全實現。 |
| ConcurrentQueue | FIFO（先進先出）隊列的線程安全實現。 |
| ConcurrentStack | LIFO（后進先出）堆棧的線程安全實現。 |
| ConcurrentBag | 無序元素集合的線程安全實現。 |
| IProducerConsumerCollection | 類型必須實現以在 BlockingCollection 中使用的接口。 |
一個簡單的示例：給一個數據集合添加大批量的數據
List<int> list = new List<int>();
Parallel.For(0, 1000000, t => list.Add(t));
若是按照上面使用Parallel.For()的並行方式給List添加數據，
則會報錯：“索引超出了數組界限。”或“ 源數組長度不足。請檢查 srcIndex 和長度以及數組的下限。”
即使沒有報錯，list中的數據也是有問題的（比如：可能數量不足）
當然可以通過加鎖的方式進行彌補：
List<int> list = new List<int>();
object locker = new object();
Parallel.For(0, 1000000, t => { lock(locker) { list.Add(t); } });
這樣通過對操作的線程枷鎖，完全是沒有必要的，你可以使用線程安全的集合類型，比如在這里使用ConcurrentBag
ConcurrentBag<int> cBag = new ConcurrentBag<int>();
Parallel.For(0, 100000, t => cBag.Add(t));
當然因為是並行操作，所以插入集合中的數據並不是按照0-100000的順序（僅僅是成段的有序）。
3.Task類
3.0 Task類簡介
System.Threading.Tasks命名空間中Task類，表示異步操作。
Task類可以輕松地在次線程中調用方法，可以作為異步委托的簡單替代品。
同時在該命名空間還有一個泛型Task<TResul>類，TResult 表示異步操作執行完成后返回值的類型。
創建一個Task操作，只需要使用靜態函數Task.Run()即可，
Task.Run()是一個.net framework4.5及以上定義的一個默認異步操作，
Task.Run()參數是委托，即需要異步執行的方法，
注意作為Task.Run()的參數的委托都是無參委托，
若Task.Run()參數是無返回值的委托Action,則Task.Run()返回值是Task類型
若Task.Run()參數是有返回值的委托Func<TResult>,則Task.Run()返回值是Task<TResult>泛型
注意：若是低於.net4.5，則可以使用Task.Factory.StartNew()，和Task.Run()靜態方法效果一樣
總而言之，言而總之，show you code ,一切皆明了！
3.1 創建無返回值的Task任務
示例:無返回值的Task
static void Main(string[] args)
{
//1.使用Task構造函數創建,必須顯式的使用.Start()才能開始執行
//Task task = new Task(() => { Thread.Sleep(10); Console.WriteLine("我是Task ,我結束了"); });
//task.Start();
//2.使用TaskFactory.StartNew（工廠創建） 方法
//Task task = Task.Factory.StartNew(() => { Thread.Sleep(10); Console.WriteLine("我是Task ,我結束了"); });
//3.使用Task.Run()
Task task = Task.Run(() => { Thread.Sleep(10); Console.WriteLine("我是Task.Run ,我結束了"); });
if (!task.IsCompleted)//task.IsCompleted判斷當前的任務是否已完成
{
Console.WriteLine("當前的Task.Run()尚未執行完,但是因為異步，返回到調用函數，所以可以先執行后續的代碼");
}
Console.WriteLine("當前Task.Run還沒有完成,我們是在他之后的代碼但是先執行了");
task.Wait();//強行鎖定線程，等待task完成
Console.WriteLine("終於Task.Run完成了工作");
Console.ReadKey();
}
3.2 創建有返回值的Task任務
若是Task任務有返回值，返回值類型為Task<T>，使用返回值的Result屬性查詢具體值
調試時注意查看，運行到 Console.WriteLine(task.Result)的時候，其中Task任務還是在執行Thread.Sleep(1000)
還沒有出結果，我們希望的異步執行也沒有發生，而是程序是在一直在等待，這是為什么呢？
是因為一但執行了task.Result，即使task任務還沒有完成，主線程則停下等待，直到等待task.Result出結果(其實：task.Reulst屬性內部會調用task.Wait()方法)
這種情況和異步委托中調用EndInvoke()是一樣的：一旦運行EndInvoke，若是引用方法（即異步執行的那個方法）還沒有完成，主線程則停止，直到引用函數運行結束。
所以可以這樣理解:task.Result可以看作是一個未來結果（一定有結果但還在運算中）
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結束"); return 2; };
Task<int> task = Task.Run(Do);
Console.WriteLine(task.Status);//使用task.Status查看當前的Task的狀態：當前的狀態：WaitingToRun
Console.WriteLine(task.Result);//使用task.result操作Task任務的返回值：返回值是：2
Console.WriteLine(task.Status);//使用task.Status查看當前的Task的狀態：當前的狀態：RanToComplation
Console.WriteLine("SomeDoAfterTask");
Console.ReadKey();
}
運行結果：
說明：
其中我們使用task.Result查看當前的task的狀態，其中Task的狀態（即其生命周期）：
- Created(創建Task)：注意只有Task task=new Task(...),此時的Task狀態為Created,其他方式創建的Task跳過了Created狀態
- WaitingToRun(等待執行Task)
- Running(執行Task中)
- RanToComplation(Task完成)
當然，TaskStatus枚舉類型中還有其他的狀態：
Canceled(取消狀態) Faulted (失敗狀態)
3.3 為Task添加延續任務
Task任務是在后台執行的同時，主線程的繼續執行后續程序
所以有時候需要在Task結束后，繼續執行某個特定的任務，即為Task添加延續任務（也稱接續工作）
舉一個簡單的例子，
求解1-5000能求被3整除的個數，這個過程需要許多時間，我把它定義為一個Task.Run()
我們需要在求出結果后打印出結果，這里怎么操作呢？
若是直接使用task.Result則會阻塞主線程，一直等待運算出結果，這顯然不是我們想要的
若是使用while(!task.IsComplation){//后續操作}，你無法判斷Task何時結束，而且一旦Task結束則會中斷后續操作
這里就是需要為Task加上接續工作
這里你可以明白，接續本質和異步委托中的回調模式是一樣的，回調方法就是接續工作
3.3.1使用task.ContinueWith()
task1.ContinueWith(...task2..)表示當task1結束后接着運行task2任務
注意這里我們使用Lambda表達式編寫接續工作，接續工作是有一個參數的，參數是Task類型，即上一個Task
即第一個Task完成后自動啟動下一個Task，實現Task的延續
注意:ContinueWith()的返回值亦是Task類型對象，即新創建的任務
可以為接續工作task2繼續添加接續工作task3
示例5 :
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("task執行前...");
Task<int> task1 = Task.Run(() => Enumerable.Range(1, 5000).Count(n => (n % 3) == 0));
Task task2 = task1.ContinueWith(t => Console.WriteLine($"當你看到這句話則task1結束了，1-5000中能被3整除的個數{t.Result}"));//這里的t就是task1
Task task3 = task2.ContinueWith(t => Console.WriteLine($"當你看到這句話則task2也結束了"));
Console.WriteLine($"task1及其接續工作正在執行中," + "\t\n" + "我們現在正在執行其他的后續代碼");
Console.ReadKey();
}
運行結果：
3.3.2使用Awaiter
使用task.GetAwaiter()為相關的task創建一個等待者
示例：
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("task執行前...");
Task<int> task1 = Task.Run(() => Enumerable.Range(1, 5000).Count(n => (n % 3) == 0));
var awaiter = task1.GetAwaiter();//創建一個awaiter對象
//awaiter.OnCompleted(() => Console.WriteLine($"當你看到這句話則task1結束了，1-5000中能被3整除的個{task1.Result}"));
awaiter.OnCompleted(() => Console.WriteLine($"當你看到這句話則task1結束了，1-5000中能被3整除的個{awaiter.GetResult()}"));
Console.WriteLine($"task1及其接續工作正在執行中," + "\t\n" + "我們現在正在執行其他的后續代碼");
Console.ReadKey();
}
運行效果同上。
3.3.3使用ContinueWith和Awaiter的區別
ContinueWith會返回Task對象，它非常適合用於增加更多的接續工作，不過，如果Task出錯，必須直接處理AggregateException。
使用task.GetAwaiter創建awaiter對象，是在.net4.5之后，其中C#5.0的異步功能就是使用這種方式。
使用awaiter也是可以使用task.Result直接的查看任務的結果,但是使用awaiter.GetResult()可以在Task出現異常的時候直接拋出,不會封裝在AggregateException中。
3.4 Task.Delay
延時執行Task
3.4.1 使用Task.Delay()和ContinueWith實現延遲工作
其實就相當於實現Thread.Sleep()的異步版本
若是你使用Thread.Sleep(),則會程序一直在等待(即阻塞線程)，直到等待結束才會運行后續的代碼
而這里就相當於給給Thread.Sleep()一個加了接續工作，且這個接續工作是異步的。
即使用Task.Delay()不會阻塞主線程，主線程可以繼續執行后續代碼
示例:
//新建異步任務，30毫秒秒后執行
Task.Delay(30).ContinueWith(c =>
{
for (int i = 0; i < 50; i++)
{
Console.WriteLine(i + "這是Task在運行");
}
});
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
Console.WriteLine(i + "這是Task之后的程序在運行");
}
調試的時候你會發現，剛開始的時候的時候是先顯示的"i這是Task之后的程序在運行"
之后在等帶了30毫秒，后就會開始顯示"i這是Task在運行"和"i這是Task之后的程序在運行"交叉顯示
運行結果如下：
3.4.2 使用Task.Delay()和Awaiter實現延遲工作
示例:運行效果同上
Task.Delay(30).GetAwaiter().OnCompleted(() =>
{
for (int i = 0; i < 50; i++)
{
Console.WriteLine(i + "這是Awaiter在運行行");
}
});
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
Console.WriteLine(i + "這是Awaiter之后的程序在運行行");
}
Console.ReadKey();
3.5 Task對象的其他一些靜態方法
| 方法名 | 說明 |
|---|---|
| Task.Wait | task1.Wait();就是等待任務執行（task1）完成，task1的狀態變為Completed |
| Task.WaitAll | 待所有的任務都執行完成 |
| Task.WaitAny | 發同Task.WaitAll，就是等待任何一個任務完成就繼續向下執行 |
3.6 取消異步操作
異步方法是可以請求終止運行的，
System.Threading.Tasks命名空間中有兩個類是為此目的而設計的：CancellationToken和CancellationTokenSource。
下面看使用CancellationTokenSource和CancellationToken來實現取消某個異步操作。
這里使用Task.Run()為例，其第一個參數是一個Action委托，第二個參數就是CancellationToken對象
static void Main(string[] args)
{
CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();//生成一個CancellationTokenSource對象，該對象可以創建CancellationToken
CancellationToken ct = cts.Token;//獲取一個令牌（token)，可以將令牌傳遞給多個任務，這樣可以同時取消多個任務。
Task.Run(() =>
{
for (int i = 0; i < 20; i++)
{
if (ct.IsCancellationRequested)
{
return;
}
Thread.Sleep(1000);
Console.WriteLine($"異步程序的的循環：{i}");
}
}, ct);//注意Run()的第二個參數就是終止令牌token
for (int i = 0; i < 4; i++)
{
Thread.Sleep(1000);
Console.WriteLine($"主線程中循環：{i}");
}
Console.WriteLine("馬上sts.Cancel(),即將要終止異步程序");
cts.Cancel();//含有該CancellationTokenSource的token的異步程序，終止！
Console.ReadKey();
}
運行結果：可以發現異步任務Task.Run()還沒有完成，但是因為cst.Cancel()運行，token的屬性IsCancellationRequested變為true,異步循環結束。
說明：取消一個異步操作的過程，注意，該過程是協同的。
即：調用CancellationTokenSource的Cancel時，它本身並不會執行取消操作。
而是會將CancellationToken的IsCancellationRequested屬性設置為true。
包含CancellationToken的代碼負責檢查該屬性，並判斷是否需要停止執行並返回。
4.並行Linq（PLinq）
並行Linq 並不屬於TPL，但是亦是並行操作，所以總結於此！
4.1 AsParallel()
System.Linq名稱空間中有一個ParallelEnumerable類，該類中的方法可以分解Linq查詢的工作，使其分布在多個線程上,即實現並行查詢。
為並行運行而設計的LINQ查詢稱為PLINQ查詢。
下面讓我們先簡單的理一理：
首先我們都知道Enumerable類為IEnumberable<T>接口擴展了一系列的靜態方法。（就是我們使用Linq方法語法的中用的哪些常用的靜態方法，自行F12）
正如MSDN中所說：“ParallelEnumberable是Enumberable的並行等效項”，ParallelEnumberable類則是Enumerable類的並行版本，
F12查看定義可以看到ParallelEnumerable類中幾乎所有的方法都是對ParallelQuery<TSource>接口的擴展，
但是，在ParallelEnumberable類有一個重要的例外，AsParallel() 方法還對IEnumerable<T>接口的擴展，並且返回的是一個ParallelQuery<TSource>類型的對象，
所以呢？凡是實現了IEnumberable<T>接口的數據集可以通過調用靜態方法AsParallel(),返回一個ParallelQuery
注意在運行PLinq的時候，PLinq會自動的判斷如果查詢能從並行化中受益，則將同時運行。而如果並行執行查詢會損害性能，PLINQ將按順序運行查詢。
示例：求1到50000000中可以整除3的數，將所求的結果倒序存放在modThreeIsZero[]中
這是需要非常多的重復運算，所以我們可以對比按照一般Linq查詢下方式和PLinq查詢，對比一些需要的時間。
static void Main(string[] args)
{
int[] intArray = Enumerable.Range(1, 50000000).ToArray();
Stopwatch sw = new Stopwatch();
//順序查詢
sw.Start();
int[] modThreeIsZero1 = intArray.Select(n => n).Where(n => n % 3 == 0).OrderByDescending(n => n).ToArray();
sw.Stop();
Console.WriteLine($"順序查詢，運行時間：{sw.ElapsedMilliseconds}毫秒,可以整除3的個數:{modThreeIsZero1.Count()}");
//使用AsParallel()實現並行查詢
//AsParallel()方法返回ParallelQuery<TSourc>類型對象。因為返回的類型，所以編譯器選擇的Select()、Where()等方法是ParallelEnumerable.Where()，而不是Enumerable.Where()。
sw.Restart();
int[] modThreeIsZero2 = intArray.AsParallel().Select(n => n).Where(n => n % 3 == 0).OrderByDescending(n => n).ToArray();
sw.Stop();
Console.WriteLine($"並行查詢，運行時間：{sw.ElapsedMilliseconds}毫秒,可以整除3的個數:{modThreeIsZero2.Count()}");
Console.ReadKey();
}
說明：AsParallel()方法返回ParallelQuery<TSourc>類型對象。因為返回的類型，所以編譯器選擇的Select()、Where()等方法是ParallelEnumerable.Where()，而不是Enumerable.Where()。
運行結果：
可以對比結果，在大規模的Linq查詢中，同步查詢和並行查詢兩者的運行時間的差距還是很大的！
但是小規模的Linq查詢二者的效果其實並沒有很明顯。
4.2 取消並行查詢
在3.6取消異步操作中解釋了如何取消一個長時間的任務，
那么對於長時間運行的PLinq也是可以取消的
同樣是使用CancellationTokenSource生成一個CancellationToken對象作為token
怎么把token給PLinq呢？使用ParallelQuery<TSource>中靜態方法WithCancellation(token)
在PLinq中，若是取消了並行操作，則會拋出OperationCanceledException
示例：
static void Main(string[] args)
{
//具體的作用和含義可以看0030取消一個異步操作
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中取消查詢就會觸發OperationCanceledException異常
{
Console.WriteLine(ex.Message);//注意：Message的內容就是：已取消該操作
return null;
}
});
Console.WriteLine("取消PLinq?Y/N");
string input = Console.ReadLine();
if (input.ToLower().Equals("y"))
{
cts.Cancel();//取消並行查詢
Console.WriteLine("取消了PLinq！");//undone:怎么驗證已經真的取消了
}
else
{
Console.WriteLine("Loading……");
Console.WriteLine(task.Result.Count());
}
Console.ReadKey();
}
5.參考&源代碼下載
至此 ，.NET 異步編程中之任務並行庫【完】
唉，書真是越看越厚，皆是淺嘗輒止！