C#多线程系列之多阶段并行线程
作者：痴者工良
前言
这一篇，我们将学习用于实现并行任务、使得多个线程有序同步完成多个阶段的任务。
应用场景主要是控制 N 个线程(可随时增加或减少执行的线程)，使得多线程在能够在 M 个阶段中保持同步。
线程工作情况如下：
我们接下来 将学习C# 中的 Barrier ，用于实现并行协同工作。
Barrier 类
使多个任务能够采用并行方式依据某种算法在多个阶段中协同工作，使多个线程（称为“参与者” ）分阶段同时处理算法。
可以使多个线程（称为“参与者” ）分阶段同时处理算法。（注意算法这个词）
每个参与者完成阶段任务后后将被阻止继续执行，直至所有参与者都已达到同一阶段。
Barrier 的构造函数如下：
| 构造函数 | 说明 |
|---|---|
| Barrier(Int32) | 初始化 Barrier 类的新实例。 |
| Barrier(Int32, Action) | 初始化 Barrier 类的新实例。 |
其中一个构造函数定义如下：
public Barrier (int participantCount, Action<Barrier> postPhaseAction);
participantCount ：处于的线程数量，大于0并且小于32767。
postPhaseAction ：在每个阶段后执行 Action(委托)。
属性和方法
在还没有清楚这个类有什么作用前，我们来看一下这个类的常用属性和方法。
大概了解 Barrier 有哪些常用属性和方法后，我们开始编写示例代码。
属性：
| 属性 | 说明 |
|---|---|
| CurrentPhaseNumber | 获取屏障的当前阶段的编号。 |
| ParticipantCount | 获取屏障中参与者的总数。 |
| ParticipantsRemaining | 获取屏障中尚未在当前阶段发出信号的参与者的数量。 |
方法：
| 方法 | 说明 |
|---|---|
| AddParticipant() | 通知 Barrier，告知其将会有另一个参与者。 |
| AddParticipants(Int32) | 通知 Barrier，告知其将会有多个其他参与者。 |
| RemoveParticipant() | 通知 Barrier，告知其将会减少一个参与者。 |
| RemoveParticipants(Int32) | 通知 Barrier，告知其将会减少一些参与者。 |
| SignalAndWait() | 发出参与者已达到屏障并等待所有其他参与者也达到屏障。 |
| SignalAndWait(CancellationToken) | 发出参与者已达到屏障的信号，并等待所有其他参与者达到屏障，同时观察取消标记。 |
| SignalAndWait(Int32) | 发出参与者已达到屏障的信号，并等待所有其他参与者也达到屏障，同时使用 32 位带符号整数测量超时。 |
| SignalAndWait(Int32, CancellationToken) | 发出参与者已达到屏障的信号，并等待所有其他参与者也达到屏障，使用 32 位带符号整数测量超时，同时观察取消标记。 |
| SignalAndWait(TimeSpan) | 发出参与者已达到屏障的信号，并等待所有其他参与者也达到屏障，同时使用 TimeSpan 对象测量时间间隔。 |
| SignalAndWait(TimeSpan, CancellationToken) | 发出参与者已达到屏障的信号，并等待所有其他参与者也达到屏障，使用 TimeSpan 对象测量时间间隔，同时观察取消标记。 |
Barrier 翻译屏障，前面所说的 “阶段”，在文档中称为屏障，官方有一些例子和实践场景：
https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/threading/barrier?view=netcore-3.1
本文的教程比较简单，你可以先看本教程，再去看看官方示例。
示例
假设有个比赛，一个有三个环节，有三个小组参加比赛。
比赛有三个环节，小组完成一个环节后，可以去等待区休息，等待其他小组也完成比赛后，开始进行下一个环节的比赛。
示例如下：
new Barrier(int,Action) 设置有多少线程参与，Action 委托设置每个阶段完成后执行哪些动作。
.SignalAndWait() 阻止当前线程继续往下执行；直到其他完成也执行到此为止。
class Program
{
// Barrier(Int32, Action)
private static Barrier barrier = new Barrier(3, b =>
Console.WriteLine($"\n第 {b.CurrentPhaseNumber + 1} 环节的比赛结束，请评分！"));
static void Main(string[] args)
{
// Random 模拟每个小组完成一个环节比赛需要的时间
Thread thread1 = new Thread(() => DoWork("第一小组", new Random().Next(2, 10)));
Thread thread2 = new Thread(() => DoWork("第二小组", new Random().Next(2, 10)));
Thread thread3 = new Thread(() => DoWork("第三小组", new Random().Next(2, 10)));
// 三个小组开始比赛
thread1.Start();
thread2.Start();
thread3.Start();
Console.ReadKey();
}
static void DoWork(string name, int seconds)
{
// 第一环节
Console.WriteLine($"\n{name}：开始进入第一环节比赛");
Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds)); // 模拟小组完成环节比赛需要的时间
Console.WriteLine($"\n {name}：完成第一环节比赛，等待其它小组");
// 小组完成阶段任务，去休息等待其它小组也完成比赛
barrier.SignalAndWait();
// 第二环节
Console.WriteLine($"\n {name}：开始进入第二环节比赛");
Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
Console.WriteLine($"\n {name}：完成第二环节比赛，等待其它小组\n");
barrier.SignalAndWait();
// 第三环节
Console.WriteLine($"\n {name}：开始进入第三环节比赛");
Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
Console.WriteLine($"\n {name}：完成第三环节比赛，等待其它小组\n");
barrier.SignalAndWait();
}
}上面的示例中，每个线程都使用了 DoWork() 这个方法去中相同的事情，当然也可以设置多个线程执行不同的任务，但是必须保证每个线程都具有相同数量的 .SignalAndWait(); 方法。
当然 SignalAndWait() 可以设置等待时间，如果其他线程迟迟没有到这一步，那就继续运行。可以避免死锁等问题。
到目前，只使用了 SignalAndWait() ，我们继续学习一下 Barrier 类的其他方法。
新的示例
Barrier.AddParticipant()：添加参与者；
Barrier.RemoveParticipant()：移除参与者；
这里继续使用第二节的示例。
因为这是比赛，老是等待其他小组，会使得比赛进行比较慢。
新的规则：不必等待最后一名，当环节只剩下最后一名时为完成时，其它小组可以立即进行下一个环节的比赛。
当然，最后一名小组，有权利继续完成比赛。
修改第二小节的代码，在 Main 内第一行加上 barrier.RemoveParticipant();。
static void Main(string[] args)
{
barrier.RemoveParticipant();
... ...试着再运行一下。
说明
SignalAndWait() 的 重载比较多，例如 SignalAndWait(CancellationToken)，这里笔者先不讲解此方法如何使用。等到写到后面的异步(Task)，读者学到相关的知识点，我们再过一次复习，这样由易到难，自然水到渠成。
Barrier 适合用于同时执行相同流程的工作，因为工作内容是相同的，便于协同。工作流有可能用得上吧。
但是 Barrier 更加适合用于算法领域，可以参考：https://devblogs.microsoft.com/pfxteam/parallel-merge-sort-using-barrier/
到此这篇关于C#多线程系列之多阶段并行线程的文章就介绍到这了。希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持脚本之家。