Параллельное программирование на C# и .NET Core

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

УДК 004.438.NET
ББК 32.973.26-018.2
Т18

Танвар Ш.
Т18  Параллельное программирование на C# и .NET Core / пер. с англ. А. Д. Во
рониной; ред. В. Н. Черников. – М.: ДМК Пресс, 2022. – 272 с.: ил. 

ISBN 978-5-97060-851-7

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.

УДК 004.438.NET
ББК 32.973.26-018.2

First published in the English language under the title ‘Hands-On Parallel Programming with 
C# 8 and .NET Core 3 – (9781789132410)’. Russian language edition copyright © 2021 by DMK 
Press. All rights reserved.

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 без письменного разрешения 
владельцев авторских прав.

ISBN 978-1-78913-241-0 (англ.) 
© Packt Publishing, 2019
ISBN 978-5-97060-851-7 (рус.)  
©  Перевод, оформление, издание,  

ДМК Пресс, 2022

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

Глава 1. 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

Глава 2. 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<T> ..........................................52
Методы System.Threading.Tasks.Task.FromException  
и System.Threading.Tasks.Task.FromException<T> .............................................53
Методы System.Threading.Tasks.Task.FromCanceled  
и System.Threading.Tasks.Task.FromCanceled<T> ..............................................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 по мощью 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 по мощью метода  
Task.ContinueWith..............................................................................................68
Продолжение выполнения задач с по мощью  
Task.Factory.ContinueWhenAll и Task.Factory.ContinueWhenAll<T> ...........69
Продолжение выполнения задач с по мощью  
Task.Factory.ContinueWhenAny и Task.Factory.ContinueWhenAny<T> .......69
Родительские и дочерние задачи ........................................................................70
Создание отсоединенной задачи ........................................................................70
Создание присоединенной задачи .....................................................................71
Очереди с перехватом работы .................................................................................72
Резюме .........................................................................................................................74

 Содержание

Глава 3. 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

Глава 4. 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 по мощью 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. СТРУКТУРЫ ДАННЫХ .NET CORE,  
КОТОРЫЕ ПОДДЕРЖИВАЮТ ПАРАЛЛЕЛИЗМ ..................................111

Глава 5. 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

Глава 6. Использование параллельных коллекций .................................144

Технические требования .........................................................................................144
Введение в параллельные коллекции ...................................................................144
Знакомство с IProducerConsumerCollection<T> ...............................................145
Использование ConcurrentQueue <T> ...........................................................145
Производительность Queue<T> в сравнении с ConcurrentQueue<T> ......148
Использование ConcurrentStack <T> .............................................................148
Создание параллельного стека ......................................................................149

 Содержание

Использование ConcurrentBag<T> ................................................................150
Использование BlockingCollection<T> ..............................................................151
Создание BlockingCollection<T> ....................................................................151
Сценарий с несколькими производителями и потребителями ........................153
Использование ConcurrentDictionary<TKey,TValue> .......................................154
Резюме .......................................................................................................................155
Вопросы .....................................................................................................................156

Глава 7. Повышение производительности с по мощью  
отложенной инициализации ............................................................................157
Технические требования .........................................................................................157
Что такое отложенная инициализация? ...............................................................157
Введение в System.Lazy<T> .....................................................................................160
Логика создания объекта реализуется в конструкторе ..................................161
Логика создания объекта передается в качестве делегата в Lazy<T> ..........162
Обработка исключений с по мощью шаблона отложенной инициализации ....163
Отсутствие исключений в ходе инициализации ............................................163
Случайное исключение при инициализации с кешированием  
исключений ..........................................................................................................163
Некешируемые исключения ..............................................................................165
Отложенная инициализация с локальным хранилищем потоков ...................166
Сокращение издержек при помощи отложенной инициализации ..................168
Резюме .......................................................................................................................170
Вопросы .....................................................................................................................170

Часть III. АСИНХРОННОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ 
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ С# .................................................................................172

Глава 8. Введение в асинхронное программирование ..........................173
Технические требования .........................................................................................174
Типы выполнения программ .................................................................................174
Синхронное выполнение программ .................................................................174
Асинхронное выполнение программ ...............................................................176
Случаи использования асинхронного программирования ...............................177
Написание асинхронного кода ..........................................................................177
Использование метода BeginInvoke класса Delegate ..................................178
Использование класса Task ............................................................................179
Использование интерфейса IAsyncResult ....................................................179
Когда не следует использовать асинхронное программирование ...................181
В базе данных без пула обработки подключений ...........................................181
Когда важно, чтобы код легко читался и поддерживался ..............................181
Для простых и быстрых операций ....................................................................181
Для приложений с большим количеством разделяемых данных ................182
Проблемы, решаемые асинхронным кодом ........................................................182
Резюме .......................................................................................................................183
Вопросы .....................................................................................................................183