任务并行库（Task Parallel Library, TPL）

概述

任务并行库（TPL）是 .NET Framework 中的一组功能，用于简化多线程和并行编程的实现。它提供了抽象化的任务（Task）和数据并行性工具，使开发者能够编写高效且可伸缩的并行代码，而无需直接管理线程。

TPL 是 .NET Framework 4.0 中引入的，它基于 Task 和 Task<TResult> 类构建，并与线程池紧密集成。TPL 还支持取消、等待和异常处理等高级功能。

TPL 的核心特点

1. 任务抽象化
2. 以 Task 为单位抽象地管理并行操作，而非直接操作线程。
3. 自动处理线程池资源分配。
4. 线程池管理
5. TPL 使用线程池来管理任务，动态调整线程的数量以优化性能。
6. 支持数据并行性
7. 提供 Parallel.For 和 Parallel.ForEach 方法，实现循环的并行执行。
8. 任务依赖关系
9. 支持任务链和延续任务（Task.ContinueWith），实现任务间的依赖控制。
10. 错误处理
11. 内置异常捕获和聚合（AggregateException），让开发者能更方便地处理并行任务中的异常。
12. 异步支持
13. 与 async 和 await 深度集成，提供现代化异步编程模型。

TPL 的主要组成部分

1. Task 类
2. 表示一个异步操作的逻辑单元。
3. 支持启动、取消、等待和获取结果。
4. 示例：
5. Task task = Task.Run(() => { Console.WriteLine("Task is running"); }); task.Wait(); // 等待任务完成
6. Parallel 类
7. 提供数据并行性工具，如 Parallel.For 和 Parallel.ForEach。
8. 自动将循环分配到多个线程中执行。
9. 示例：
10. Parallel.For(0, 10, i => { Console.WriteLine(#34;Processing {i}"); });
11. PLINQ（Parallel LINQ）
12. 用于并行处理数据查询。
13. 提供 AsParallel() 方法，将查询转为并行执行。
14. 示例：
15. var numbers = Enumerable.Range(1, 1000); var evenNumbers = numbers.AsParallel().Where(n => n % 2 == 0).ToArray();
16. 任务调度器（TaskScheduler）
17. 控制任务的执行方式和线程分配策略。
18. 默认调度器使用线程池，也可以自定义调度器。

TPL 的优势

1. 开发简便
2. 任务的抽象化使开发者不再需要直接操作线程。
3. 资源利用率高
4. TPL 动态管理线程池，减少线程上下文切换的开销。
5. 可伸缩性
6. 支持根据硬件配置自动调整并行任务的执行。
7. 高级功能支持
8. 内置任务取消、延续和异常处理功能。

TPL 的应用场景

1. CPU 密集型任务
2. 如复杂计算或算法，利用并行任务分担计算负载。
3. 示例：
4. Parallel.For(0, 1000, i => { Console.WriteLine(#34;Computing {i}"); });
5. I/O 密集型任务
6. 如文件读取、网络请求等任务，结合异步操作提高效率。
7. 示例：
8. Task<string> fetchData = Task.Run(() => { using (HttpClient client = new HttpClient()) { return client.GetStringAsync("http://example.com").Result; } }); Console.WriteLine(fetchData.Result);
9. 大规模数据处理
10. 使用 PLINQ 或 Parallel.ForEach 对海量数据进行并行处理。
11. 示例：
12. List<int> data = Enumerable.Range(1, 100000).ToList(); Parallel.ForEach(data, number => { Console.WriteLine(#34;Processing number: {number}"); });
13. 任务依赖管理
14. 通过 Task.ContinueWith 创建任务链，实现任务之间的依赖关系。
15. 示例：
16. Task<int> task1 = Task.Run(() => 10); Task<int> task2 = task1.ContinueWith(t => t.Result * 2); Console.WriteLine(task2.Result); // 输出 20

注意事项

1. 任务取消
2. 使用 CancellationToken 提供任务取消机制，避免不必要的任务执行。
3. 示例：
4. CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource(); Task task = Task.Run(() => { while (!cts.Token.IsCancellationRequested) { Console.WriteLine("Running..."); Thread.Sleep(1000); } }, cts.Token); Thread.Sleep(3000); cts.Cancel(); task.Wait();
5. 死锁
6. 避免同步调用 .Wait() 或 .Result，以防死锁。
7. 线程安全
8. 并发任务访问共享资源时，需要使用锁或线程安全集合。
9. 性能分析
10. 过多的并行任务可能导致线程池饱和，应合理规划任务数量。

总结

• 用途：任务并行库（TPL）为开发者提供了简单高效的方式来实现并行编程和任务并发。
• 核心特性：任务抽象、数据并行性和异步操作支持。
• 应用场景：CPU 密集型任务、大规模数据处理和复杂任务链。
• 最佳实践：结合 async/await、任务取消和异常处理实现高效并行程序。