C#多线程(9)：多阶段并行线程

前言
Barrier 类

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

https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/threading/how-to-synchronize-concurrent-operations-with-a-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/

当然，后面学习异步和并行编程后，也会编写相应的算法示例。