可重复使用的并行数据结构和算法

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1、9种可重复使用的并行数据结构和算法目录倒计数锁存(CountdownLatch)可重用旋转等待(SpinWait)屏障(Barrier)阻塞队列受限缓冲区(BoundedBuffer)Thin事件无锁定LIFO堆栈循环分块并行分拆总结本专栏并未涉及很多公共语言运行库(CLR)功能的机制问题，而是更多介绍了如何有效使用您手头所具有的工具。身为一名程序员，必须做出很多决策，而选择正确的数据结构和算法无疑是最常见的，也是最重要的决策之一。错误的选择可能导致程序无法运行，而大多数情况下，则决定了性能的好坏。鉴于并行编程通常旨在改进性能，并且要难于串行编程，因此所

2、作的选择对您程序的成功就更为重要。在本专栏中，我们将介绍九种可重复使用的数据结构和算法，这些结构和算法是许多并行程序所常用的，您应该能够轻松将它们应用到自己的.NET软件中。专栏中每个示例随附的代码都是可用的，但尚未经过完全定型、测试和优化。这里列举的模式虽然并不详尽，但却代表了一些较为常见的模式。如您所见，很多示例都是互为补充的。在开始前，我想还是先介绍一些相关内容。Microsoft®.NETFramework提供了几个现有的并发基元。虽然我要为您讲解如何构建自己的基元，但实际上现有基元是足以应付大多数情况的。我只是想说某些可选的方案有时也是有参考价

3、值的。此外，了解这些技巧如何应用于实际操作也有助于加深您对并行编程的整体理解。在开始讲解前，我假定您对现有基元已经有了一个基本的了解。您也可以参阅《MSDN®杂志》2005年8月版的文章“关于多线程应用程序：每个开发人员都应了解的内容”，以全面了解其概念。一、倒计数锁存(CountdownLatch)Semaphore之所以成为并发编程中一种较为知名的数据结构，原因是多方面的，而并不只是因为它在计算机科学领域有着悠久的历史（可以追溯到19世纪60年代的操作系统设计）。Semaphore只是一种带有一个计数字段的数据结构，它只支持两种操作：放置和取走（通常

4、分别称为P和V）。一次放置操作会增加一个semaphore计数，而一次取走操作会减少一个semaphore计数。当semaphore计数为零时，除非执行一项并发的放置操作使计数变为非零值，否则任何后续的取走尝试都将阻塞（等待）。这两种操作均为不可再分(atomic)操作，并发时不会产生错误，能够确保并发的放置和取走操作有序地进行。Windows具有基础内核和对semaphore对象的Win32支持（请参阅CreateSemaphore和相关API），并且在.NETFramework中这些对象可以通过System.Threading.Semaphore类公

5、开到上层。Mutex和Monitor所支持的临界区，通常被认为是一种特殊的semaphore，其计数会在0和1之间来回切换，换句话说，是一个二进制的semaphore。另外还有一种“反向semaphore”也是非常有用。也就是说，有时您需要数据结构能够等待数据结构计数归零。Fork/join式并行模式在数据并行编程中是极为常见的，其中由单个“主”线程控制执行若干“辅助”线程并等待线程执行完毕。在这类情况下，使用反向semaphore会很有帮助。大多数时候，您其实并不想唤醒线程来修改计数。因此在这种情况下，我们将结构称为倒计数“锁存”，用来表示计数的减少，

6、同时还表明一旦设置为“Signaled”状态，锁存将保持“signaled”（这是一个与锁存相关的属性）。遗憾的是，Windows和.NETFramework均不支持这种数据结构。但令人欣慰的是，构建这种数据闭锁并不难。要构建倒计数锁存，只需将其计数器初始值设为n，并让每项辅助任务在完成时不可再分地将n减掉一个计数，这可以通过为减量操作加上“锁”或调用Interlocked.Decrement来实现。接下来，线程可以不执行取走操作，而是减少计数并等待计数器归零；而当线程被唤醒时，它就可以得知已经有n个信号向锁存注册。在while(count!=0)循环中

7、，让等待的线程阻塞通常是不错的选择（这种情况下，您稍后将不得不使用事件），而不是使用旋转。publicclassCountdownLatch{privateintm_remain;privateEventWaitHandlem_event;publicCountdownLatch(intcount){m_remain=count;m_event=newManualResetEvent(false);}publicvoidSignal(){//Thelastthreadtosignalalsosetstheevent.if(Interlocked.Decr

8、ement(refm_remain)==0)m_event.Set();}pub