Практическое руководство. Синхронизация параллельных операций с барьером

  • Статья

В следующем примере показано, как синхронизировать параллельные задачи с помощью объекта Barrier.

Пример

Следующая программа подсчитывает количество итераций (или этапов), необходимых для того, чтобы каждый из двух потоков одновременно нашел свое частичное решение, используя алгоритм перемешивания слов. В каждом потоке перемешиваются свои слова, а затем операция барьера после этапа сравнивает два результата и проверяет, правильно ли собрано полное предложение.

//#define TRACE
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace BarrierSimple
{
    class Program
    {
        static string[] words1 = new string[] { "brown",  "jumps", "the", "fox", "quick"};
        static string[] words2 = new string[] { "dog", "lazy","the","over"};
        static string solution = "the quick brown fox jumps over the lazy dog.";

        static bool success = false;
        static Barrier barrier = new Barrier(2, (b) =>
        {
            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            for (int i = 0; i < words1.Length; i++)
            {
                sb.Append(words1[i]);
                sb.Append(" ");
            }
            for (int i = 0; i < words2.Length; i++)
            {
                sb.Append(words2[i]);

                if(i < words2.Length - 1)
                    sb.Append(" ");
            }
            sb.Append(".");
#if TRACE
            System.Diagnostics.Trace.WriteLine(sb.ToString());
#endif
            Console.CursorLeft = 0;
            Console.Write("Current phase: {0}", barrier.CurrentPhaseNumber);
            if (String.CompareOrdinal(solution, sb.ToString()) == 0)
            {
                success = true;
                Console.WriteLine("\r\nThe solution was found in {0} attempts", barrier.CurrentPhaseNumber);
            }
        });

        static void Main(string[] args)
        {

            Thread t1 = new Thread(() => Solve(words1));
            Thread t2 = new Thread(() => Solve(words2));
            t1.Start();
            t2.Start();

            // Keep the console window open.
            Console.ReadLine();
        }

        // Use Knuth-Fisher-Yates shuffle to randomly reorder each array.
        // For simplicity, we require that both wordArrays be solved in the same phase.
        // Success of right or left side only is not stored and does not count.
        static void Solve(string[] wordArray)
        {
            while(success == false)
            {
                Random random = new Random();
                for (int i = wordArray.Length - 1; i > 0; i--)
                {
                    int swapIndex = random.Next(i + 1);
                    string temp = wordArray[i];
                    wordArray[i] = wordArray[swapIndex];
                    wordArray[swapIndex] = temp;
                }

                // We need to stop here to examine results
                // of all thread activity. This is done in the post-phase
                // delegate that is defined in the Barrier constructor.
                barrier.SignalAndWait();
            }
        }
    }
}

Imports System.Collections.Generic
Imports System.Linq
Imports System.Text
Imports System.Threading
Imports System.Threading.Tasks


Class Program
    Shared words1() = New String() {"brown", "jumps", "the", "fox", "quick"}
    Shared words2() = New String() {"dog", "lazy", "the", "over"}
    Shared solution = "the quick brown fox jumps over the lazy dog."

    Shared success = False
    Shared barrier = New Barrier(2, Sub(b)
                                        Dim sb = New StringBuilder()
                                        For i As Integer = 0 To words1.Length - 1
                                            sb.Append(words1(i))
                                            sb.Append(" ")
                                        Next
                                        For i As Integer = 0 To words2.Length - 1

                                            sb.Append(words2(i))

                                            If (i < words2.Length - 1) Then
                                                sb.Append(" ")
                                            End If
                                        Next
                                        sb.Append(".")
                                        System.Diagnostics.Trace.WriteLine(sb.ToString())

                                        Console.CursorLeft = 0
                                        Console.Write("Current phase: {0}", barrier.CurrentPhaseNumber)
                                        If (String.CompareOrdinal(solution, sb.ToString()) = 0) Then
                                            success = True
                                            Console.WriteLine()
                                            Console.WriteLine("The solution was found in {0} attempts", barrier.CurrentPhaseNumber)
                                        End If
                                    End Sub)

    Shared Sub Main()
        Dim t1 = New Thread(Sub() Solve(words1))
        Dim t2 = New Thread(Sub() Solve(words2))
        t1.Start()
        t2.Start()

        ' Keep the console window open.
        Console.ReadLine()
    End Sub

    ' Use Knuth-Fisher-Yates shuffle to randomly reorder each array.
    ' For simplicity, we require that both wordArrays be solved in the same phase.
    ' Success of right or left side only is not stored and does not count.       
    Shared Sub Solve(ByVal wordArray As String())
        While success = False
            Dim rand = New Random()
            For i As Integer = 0 To wordArray.Length - 1
                Dim swapIndex As Integer = rand.Next(i + 1)
                Dim temp As String = wordArray(i)
                wordArray(i) = wordArray(swapIndex)
                wordArray(swapIndex) = temp
            Next

            ' We need to stop here to examine results
            ' of all thread activity. This is done in the post-phase
            ' delegate that is defined in the Barrier constructor.
            barrier.SignalAndWait()
        End While
    End Sub
End Class

Объект Barrier приостанавливает параллельное выполнение отдельных задач, пока все задачи не достигнут этого барьера. Это полезно в тех случаях, когда параллельная операция имеет четко определенные этапы, по каждому из которых требуется синхронизация между задачами. В нашем примере операция осуществляется в два этапа. На первом этапе каждая задача заполняет данными свой сегмент буфера. Каждая задача, которая завершает заполнение своего сегмента, сообщает барьеру о готовности и переходит в режим ожидания. Когда все задачи отправят барьеру сигналы, блокировка снимается и начинается второй этап. Этот барьер нужен для того, чтобы каждая задача на втором этапе получила доступ ко всем данным, созданным до этого момента. Без этого барьера первая задача, выполнившая свою работу, может начать чтение из буферов, которые еще не заполнены другими задачами. Этот подход позволяет синхронизировать любое количество этапов.

См. также