حسین احمدی
بنیانگذار توسینسو و برنامه نویس و توسعه دهنده ارشد وب

آموزش برنامه نویسی موازی (Parallel Programming) در سی شارپ

در این مطلب با برنامه نویسی موازی (Parallel Programming) در سی شارپ (C#) آشنا خواهیم شد. پیش از این در مطلب آموزش سی شارپ مرتبط با بحث کار با Thread با نحوه ایجاد و مدیریت Thread ها در دات نت آشنا شدیم. از نسخه 4 دات نت قابلیتی اضافه شد با نام Task Parallel Programming یا TPL که روش جدیدی برای نوشتن برنامه Multi-Theaded است.

دوره های شبکه، برنامه نویسی، مجازی سازی، امنیت، نفوذ و ... با برترین های ایران

Task Parallel Library

این قابلیت بوسیله یکسری از کلاس ها که در فضای نام System.Threading.Tasks قرار دارد فراهم شده و به ما این اجازه را می دهد که بدون درگیر شدن مستقیم با Thread ها و Thread Pool ها برنامه های Multi-Threaded بنوسیم. دقت کنید که زمان استفاده از قابلیت TPL دیگر نیازی به استفاده از کلاس های فضای نام System.Threading نمی باشد و به صورت پشت زمینه عملیات ساخت و مدیریت Thread ها برای ما انجام می شود. با این کار شیوه کار با Threadه ا بسیار ساده شده و یکسری از پیچیدگی ها در این بین حذف می شود.

فضای نام System.Threading.Tasks

همانطور که گفتیم TPL در حقیقت مجموعه ای از کلاس ها است که در فضای نام System.Threading.Tasks قرار گرفته. یکی از قابلیت های TPL این است که کارهای محوله را به صورت خودکار بین CPU های سیستم (در صورت وجود) توزیع می کند که این کار در پشت زمینه بوسیله CLR Thread Pool انجام می شود.

کارهای انجام شده توسط TPL در پشت زمینه عبارتند از تقسیم بندی وظایف، زمانبندی Thread ها، مدیریت وضعیت (State Management) و یکسری از کارهای اصطلاحاً Low-Level دیگر. نتیجه این کار برای شما بالا رفتن کارآیی برنامه ها بوده بدون اینکه درگیر پیچیدگی های کار با Thread ها شوید. همانطور که گفتیم فضای نام System.Threading.Tasks شامل یکسری کلاس ها مانند کلاس Parallel، کلاس Task و ... می باشد که در ادامه با این کلاس ها بیشتر آشنا می شویم.

نقش کلاس Parallel

یکی از کلاس های TPL که نقش کلیدی را در نوشتن کدهای Parallel ایفا می کند، کلاس Parallel است، این کلاس یکسری متدها در اختیار ما قرار می دهد که بتوانیم بر روی آیتم های یک مجموعه (علی الخصوص مجموعه هایی که اینترفیس IEnumerable را پیاده سازی کرده اند) به صورت parallel عملیات هایی را انجام دهیم.

متدهای این کلاس عبارتند از متد های For و ForEach که البته Overload های متفاوتی برای این متدها وجود دارد. بوسیله این متدها می توان کدهایی نوشتن که عملیات مورد نظر را به صورت parallel بر روی آیتم های یک مجموعه انجام دهند.

دقت کنید کدهایی که برای این متدها نوشته می شوند در حقیقت همان کدهایی هستند که معمولاً در حلقه های for و foreach استفاده می شوند، با این تفاوت که به صورت parallel اجرا شده و اجرا و مدیریت کدها بوسیله thread ها و CLR Thread Pool انجام شده و البته بحث همزمانی نیز به صورت خودکار مدیریت می شود.

در ابتدا به سراغ متد ForEach می رویم، این متد یک مجموعه که ایترفیس IEnumerable را پیاده سازی کرده به عنوان پارامتر اول و متدی که باید بر روی هر یک اعضای این مجموعه انجام شود را به عنوان پارامتر دوم قبول می کند:

var numbers = new List<int> {2, 6, 8, 1, 3, 9, 6, 10, 5, 4};
Parallel.ForEach(numbers, number =>
{
    Console.WriteLine(number);
    Console.WriteLine("Thread Id: {0}",System.Threading.Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
});

در کد بالا یک آرایه از لیست از نوع int تعریف کرده و در مرحله بعد بوسیله متد ForEach در کلاس Parallel اعضای لیست را پردازش می کنیم، با هر بار اجرا خروجی های متفاوتی دریافت خواهیم کرد:

8
5
Thread Id: 6
4
2
Thread Id: 1
6
3
Thread Id: 5
9
Thread Id: 5
10
Thread Id: 5
1
Thread Id: 5
Thread Id: 4
Thread Id: 6
6
Thread Id: 1
Thread Id: 3

همانطور که مشاهده می کنید شناسه های مربوط به thread در هر بار اجرای کدی مشخص شده در متد ForEach با یکدگیر متفاوت است، دلیل این موضوع ایجاد و مدیریت Thread ها توسط CLR Thread Pool است که ممکن است با هر بار فراخوانی متد مشخص شده به عنوان پارامتر دوم یک thread جدید ایجاد شده یا عملیات در یک thread موجود انجام شود.

اما علاوه بر متد ForEach متد For نیست را می توان برای پردازش یک مجموعه استفاده کرد. در ساده ترین حالت این متد یک عدد به عنوان اندیس شروع حلقه، عدد دوم به عنوان اندیس پایان حلقه و یک پارامتر که متدی با پارامتر ورودی از نوع int یا long که نشان دهنده اندیس جاری است قبول می کند، برای مثال در متد زیر بوسیله متد For لیست numbers را در خروجی چاپ می کنیم، اما نه همه خانه های آن را:

var numbers = new List<int> {2, 6, 8, 1, 3, 9, 6, 10, 5, 4};
Parallel.For(3, 6, index =>
{
    Console.WriteLine(numbers[index]);
    Console.WriteLine("Thread Id: {0}", System.Threading.Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
});

با اجرای کد بالا خروجی زیر نمایش داده می شود، البته با هر بار اجرا ممکن است خروجی ها با هم متفاوت باشند:

1
Thread Id: 1
9
3
Thread Id: 3
Thread Id: 4

یکی از کاربردی ترین موارد برای استفاده از کلاس Parallel و متدهای For و ForEach زمانی است که قصد داریم مجموعه حجیمی از اطلاعات را پردازش کنیم و البته پردازش هر المان وابسته به سایر المان ها نیست، زیرا عملیات پردازش المان ها به دلیل اینکه در Thread های مختلف انجام می شوند، ترتیبی در زمان اجرای المان ها در نظر گرفته نشده و ممکن است آیتمی در وسط لیست قبل از آیتم ابتدای لیست پردازش شود.

برای مثال، فرض کنید قصد دارید لیستی از تصاویر را گرفته و بر روی آن ها پردازشی انجام دهید یا لیستی از فایل ها را می خواهیم پردازش کنید، در اینجور مواقع به راحتی می توان از کلاس Parallel و متدهای آن استفاده کرد. یکی از مزیت های استفاده از کلاس Task این است که علاوه بر توزیع انجام کارها در میان Thread ها، در صورت موجود بودن بیش از یک CPU در سیستم شما، از سایر CPU ها هم برای پردازش اطلاعات استفاده می کند. در قسمت بعدی در مورد کلاس Task صحبت خواهیم کرد.

کلاس Task

در قسمت قبل گفتیم که بوسیله کلاس Parallel و متدهای For و ForEach عملیات پردازش بر روی مجموعه ها را به صورت Parallel انجام دهیم. اما بحث Parallel Programming به همین جا ختم نمی شود و راه های دیگری نیز برای برنامه نویسی Parallel وجود دارد.

یکی از این روش ها استفاده از کلاس Task است که این کلاس نیز در فضای نام System.Threading.Tasks قرار دارد. حالت های مختلفی برای استفاده از این کلاس وجود دارد که ساده ترین آن استفاده از خصوصیت Factory و متد StartNew است که در زیر نمونه ای از نحوه ایجاد یک Task را مشاهده می کنید:

Task.Factory.StartNew(() =>
{
    Console.WriteLine("Task Started in Thread {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    for (int i = 1; i <= 100; i++)
    {
        Console.WriteLine(i);
        Thread.Sleep(500);
    }
});

بوسیله کد بالا، یک Task جدید ایجاد شده که اعداد 1 تا 100 را در یک thread جداگانه در خروجی چاپ می شود. دقت کنید که بعد از اجرای برنامه شناسه Thread ای که Task در آن اجرا می شود با شناسه Thread اصلی برنامه متفاوت است. راهکار بعدی ایجاد یک شئ از روی کلاس Task و ارجرای آن است، در کد زیر Task بالا را به صورت ایجاد شئ ایجاد می کنیم:

Task task = new Task(() =>
{
    Console.WriteLine("Task Started in Thread {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    for (int i = 1; i <= 100; i++)
    {
        Console.WriteLine(i);
        Thread.Sleep(500);
    }
});

task.Start();
Console.ReadKey();

زمانی که Task جدیدی ایجاد می کنید بوسیله متد Start که برای کلاس Task تعریف شده است می توانید عملیات اجرای Task را شروع کنید. یکی از خصوصیت های تعریف شده در کلاس Task، خصوصیت IsCompleted است که بوسیله آن می توان تشخیص داد که Task در حال اجرا است یا خیر:

Task task = new Task(() =>
{
    Console.WriteLine("Task Started in Thread {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    for (int i = 1; i <= 100; i++)
    {
        Console.WriteLine(i);
        Thread.Sleep(500);
    }
});

task.Start();
while (!task.IsCompleted)
{
                
}

دریافت خروجی از کلاس Task

می توان برای کلاس Task یک خروجی مشخص کرد، فرض کنید می خواهیم Task ای بنویسیم که میانگین حاصل جمع اعداد 1 تا 100 را حساب کرده و به عنوان خروجی بازگرداند. برای اینکار می بایست از کلاس Task که یک پارامتر جنریک دارد استفاده کنیم. ابتدا یک متد به صورت زیر تعریف می کنیم:

public static int CalcAverage()
{
    int sum = 0;

    for (int i = 1; i <= 100; i++)
    {
        sum += i;
    }

    return sum/100;
}

در قدم بعدی می بایست یک Task جنریک از نوع int تعریف کنیم و به عنوان سازنده نام متد تعریف شده را به آن ارسال کنیم:

Task<int> task = new Task<int>(CalcAverage);
task.Start();

Console.WriteLine("Average: {0}", task.Result);

در کلاس بالا بعد از Start کردن Task، بوسیله خصوصیت Result می توانیم نتیجه خروجی از Task را بگیریم، دقت کنید که زمانی که می خواهیم مقدار خروجی را از Task بگیریم، برنامه منتظر می شود تا عملیات Task به پایان برسد و سپس نتیجه در خروجی چاپ می شود.به این موضوع توجه کنید که بوسیله متد StartNew نیز می توان Task هایی که پارامتر خروجی دارند تعریف کرد:

var task = Task.Factory.StartNew<int>(CalcAverage);

کد بالا دقیقاً کار نمونه قبلی را انجام می دهد، فقط به جای ایجاد شئ Task و فراخوانی آن، از متد StartNew استفاده کردیم.

ارسال پارامتر به Task ها

یکی از قابلیت های Task ها امکان ارسال State به متدی است که قرار است به عنوان Task اجرا شود. برای مثال، فرض کنید در مثال قبلی که Task ایجاد شده حاصل میانگین را حساب کرده و به عنوان خروجی بر میگرداند می خواهیم عدد شروع و پایان را مشخص کنیم، برای اینکار ابتدا یک کلاس به صورت زیر تعریف می کنیم:

public class TaskParameters
{
    public int Start { get; set; }
    public int Finish { get; set; }
}

در ادامه کد متد CalcAverage را به صورت زیر تغییر می دهیم:

public static int CalcAverage(object state)
{
    var parameters = (TaskParameters) state;
    int sum = 0;

    for (int i = parameters.Start; i <= parameters.Finish; i++)
    {
        sum += i;
    }

    return sum/100;
}

در قدم بعدی باید روند ساخت شئ Task را به گونه ای تغییر دهیم که پارامترهای مورد نظر به عنوان state به متد CalcAverage ارسال شوند، برای اینکار به عنوان پارامتر دوم سازنده کلاس Task شئ ای از نوع TaskParameters به صورت زیر ارسال می کنیم:

Task<int> task = new Task<int>(CalcAverage, new TaskParameters()
{
    Start = 100,
    Finish = 1000
});

با انجام تغییرات بالا، توانستیم شئ ای را به عنوان State به Task ارسال کنیم، همچنین توجه کنید که امکان ارسال State بوسیله متد StartNew در خصوصیت Factory نیز وجود دارد. در این بخش با کلاس Task آشنا شدیم، در قسمت بعدی با نحوه متوقف کردن Task ها در زمان اجرا و کلاس CancellationToken آشنا می شویم

کلاس CancellationToken

زمانی که عملیاتی را به عنوان یک Task اجرا می کنیم، ممکن است بخواهیم آن Task را در حین اجرا متوقف کنیم، برای مثال، Task ای داریم که در حال پردازش 1000 فایل است و کاربر باید این امکان را داشته باشد که Task در حال اجرا را متوقف کند.

عملیات متوقف کردن Task ها هم برای متدهای کلاس Parallel امکان پذیر است و هم کلاس Task. برای اینکار می بایست از کلاسی با نام CancellationToken استفاده کنیم. برای مثال Task زیر را در نظر بگیرید که حاصل میانگین جمع اعداد 1 تا 100 را محاسبه می کند:

Task<int> averageTask = new Task<int>(() =>
{
    Console.WriteLine("Calculating average...");
    Console.WriteLine("Press Ctrl+C to cancel...");
    var sum = 0;
    for (int counter = 1; counter <= 100; counter++)
    {
        sum += counter;
        Thread.Sleep(100);
    }
    Console.WriteLine("All done.");
    return sum/100;
});
averageTask.Start();
Console.WriteLine(averageTask.Result);

قبلاً با این کد آشنا شدیم، اما کاری که در این قسمت می خواهیم انجام دهیم اضافه کردن قابلیتی است که کاربر بتواند با فشردن کلید های Ctrl+C عملیات را متوقف کند. برای اینکار ابتدا شئ ای از نوع کلاس CancellationTokenSource که در فضای نام System.Threading قرار دارد، در کلاس Program به صورت زیر تعریف می کنیم:

private static CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();

در قدم بعدی باید token ایجاد شده را به Task ایجاد شده ارسال کنیم، شئ ای که از کلاس CancellationTokenSource ایجاد کردیم یک خصوصیت دارد با نام Token که از نوع کلاس CancellationToken است، کافیست این خصوصیت را به عنوان پارامتر دوم به سازنده Task به صورت زیر ارسال کنیم:

Task<int> averageTask = new Task<int>(() =>
{
    Console.WriteLine("Calculating average...");
    Console.WriteLine("Press q to cancel...");
    var sum = 0;
    for (int counter = 1; counter <= 100; counter++)
    {
        sum += counter;
        Thread.Sleep(100);
    }
    Console.WriteLine("All done.");
    return sum/100;
}, source.Token);

شئ source که در کلاس Program ایجاد کردیم متدی دارد با نام Cancel که این متد را زمانی که قصد داریم Task متوقف شود باید فراخوانی کنیم. فراخوانی این متد باید زمانی انجام شود که کاربر کلید های Ctrl+C را فشار داده است. در محیط Console، زمانی که کاربر کلید های Ctrl+C را فشار می دهد، event ای با نام CancelPressKey در کلاس Console فراخوانی می شود، پس باید این از این event برای فراخوانی متد Cancel به صورت زیر استفاده کنیم:

Console.CancelKeyPress += (sender, eventArgs) =>
{
    source.Cancel();
    eventArgs.Cancel = true;
};

به خط دوم داخل event دقت کنید، زمانی که کلید های Ctrl+C فشرده می شوند، به صورت پیش فرض کل برنامه Console متوقف می شود، برای جلوگیری از این کار مقدار خصوصیت Cancel را در شئ eventArgs به مقدار true ست می کنیم، یعنی عملیات متوقف کردن محیط کنسول به صورت دستی توسط ما انجام شده

و خود سیستم نیاز به انجام کاری در این باره ندارد.بعد از Subscribe کردن event بالا، باید به برنامه بگوییم تا زمینه که task به اتمام نرسیده یا کاربر کلید های Ctrl+C را فشار نداده نباید از برنامه خارج شویم، به همین خاطر یک حلقه while به صورت زیر ایجاد می کنیم:

while (!averageTask.IsCompleted && !source.IsCancellationRequested)
{                                                                                                
}

با خصوصیت IsCompleted در کلاس Task قبلاً آشنا شدیم، اما خصوصیت IsCancellationRequested در شئ source زمانی مقدارش true می شود که متد Cancel فراخوانی شود، پس تا زمانی که عملیات Task به اتمام نرسیده و زمانی که کاربر کلید های Ctrl+C را فشار نداده برنامه در حلقه while منتظر می ماند.

در ادامه باید Task ایجاد شده را به صورتی تغییر دهیم که داخل حلقه for بررسی شود که متد Cancel فراخوانی شده است یا خیر، اگر فراخوانی شده بود باید از Task خارج شویم، برای این کار نیز از خصوصیت IsCancellationRequested در شئ source استفاده می کنیم، Task ایجاد شده را به صورت زیر تغییر می دهیم:

Task<int> averageTask = new Task<int>(() =>
{
    Console.WriteLine("Calculating average...");
    Console.WriteLine("Press Ctrl+C to cancel...");
    var sum = 0;
    for (int counter = 1; counter <= 100; counter++)
    {
        if (source.IsCancellationRequested)
        {
            Console.WriteLine("Operation terminated!");
            return 0;
        }
        sum += counter;
        Thread.Sleep(100);
    }
    Console.WriteLine("All done.");
    return sum/100;
}, source.Token);

همانطور که مشاهده می کنید داخل حلقه for گفتیم که اگر IsCancellationRequested برابر true بود پیغامی را نمایش بده و مقدار 0 را برگردان. کد نهایی ما به صورت زیر می باشد:

class Program
{
    private static CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();
    static void Main(string[] args)
    {
        Task<int> averageTask = new Task<int>(() =>
        {
            Console.WriteLine("Calculating average...");
            Console.WriteLine("Press Ctrl+C to cancel...");
            var sum = 0;
            for (int counter = 1; counter <= 100; counter++)
            {
                if (source.IsCancellationRequested)
                {
                    Console.WriteLine("Operation terminated!");
                    return 0;
                }
                sum += counter;
                Thread.Sleep(100);
            }
            Console.WriteLine("All done.");
            return sum/100;
        }, source.Token);
        averageTask.Start();
        Console.CancelKeyPress += (sender, eventArgs) =>
        {
            source.Cancel();
            eventArgs.Cancel = true;
        };
        while (!averageTask.IsCompleted && !source.IsCancellationRequested)
        {                                                                                                
        }

        Console.WriteLine(averageTask.Result);
    }
}

در صورتی که برنامه بالا را اجرا کرده و کلید های Ctrl+C را فشار دهیم خروجی زیر برای ما نمایش داده می شود:

Calculating average...
Press Ctrl+C to cancel...
Operation terminated!
0
Press any key to continue . . .

استفاده از CancellationToken در کلاس Parallel

علاوه بر کلاس Task می توان از قابلیت CancellationToken در متدهای کلاس Parallel نیز استفاده کرد، برای آشنایی بیشتر فرض کنید کدی به صورت زیر تعریف شده که لیست فایل های jpg داخل یک پوشه را پردازش می کند:

var jpegFiles = System.IO.Directory.GetFiles("D:\\Images", "*.jpg");

Parallel.ForEach(jpegFiles, file =>
{
    var fileInfo = new FileInfo(file);
    // process file
});

برای متوقف کردن عملیات پردازش فایل ها، ابتدا شئ ای از نوع CancellationTokenSource مانند مثال قبل ایجاد می کنیم:

private static CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();

در قدم بعدی کلاسی از نوع ParallelOptions به صورت زیر تعریف کرده، خصوصیت CancellationToken را برابر خصوصیت Token در شئ source قرار داده و این کلاس را به عنوان پارامتر ورودی به متد ForEach به صورت زیر ارسال می کنیم:

ParallelOptions options = new ParallelOptions();
options.CancellationToken = source.Token;

try
{
    Parallel.ForEach(jpegFiles,options, file =>
    {
        options.CancellationToken.ThrowIfCancellationRequested();                                                
        var fileInfo = new FileInfo(file);
        // process file
    });
}
catch (OperationCanceledException ex)
{
    Console.WriteLine(ex);
}

دقت کنید در قسمت ForEach متدی با نام ThrowIfCancellationRequested فراخوانی شده است، در حقیقت این متد بعد از فراخوانی بررسی می کند که آیا متد Cancel برای شئ source فراخوانی شده است یا خیر، اگر فراخوانی شده بود خطایی از نوع OperationCanceledException ایجاد می شود

که در خارج از بدنه ForEach کلاس Parallel، بوسیله ساختار try..catch این خطا مدیریت شده است. دقت کنید که روند مدیریت Cancel کردن در کلاس Parallel با کلاس Task متفاوت است و دلیل این موضوع نوع برخورد برنامه با این کلاس ها است. در قسمت بعدی با مبحث Parallel LINQ آشنا خواهیم شد.

کوئری Parallel در LINQ

علاوه بر مواردی که تا کنون پیرامون برنامه نویسی Parallel در دات نت آموختیم امکان نوشتن کوئری های LINQ به صورت Parallel نیز وجود دارد. این قابلیت بوسیله یکسری Extension Method که برای این موضوع تعریف شده امکان پذیر است و اصطلاحاً به کوئری های LINQ که به صورت Parallel اجرا می شوند PLINQ گفته می شود.

اما شیوه اجرای کوئری ها به صورت Parallel چگونه است؟ زمانی که شما از متدهای مربوطه برای اجرای کوئری ها به صورت Parallel استفاده می کنید، PLINQ کوئری مورد نظر را آنالیز کرده و تصمیم میگیرد که اجرای کوئری به صورت Parallel بر روی Performance برنامه شما تاثیر منفی می گذارد یا خیر.

کوئری که به صورت Parallel اجرا نشود اصطلاحاً Sequentional گفته می شود و PLINQ به صورت هوشمند نوع اجرای مناسب را برای کوئری شما انتخاب می کند، این موضوع به این معنی است که درخواست اجرای کوئری به صورت Parallel لزوماً تضمینی بر اجرای آن به صورت Parallel نیست

و تصمیم این موضوع با آنالیزوری است که کوئری را تحلیل می کند. متدهای مورد نیاز برای اجرای کوئری ها به صورت Parallel در کلاسی به نام ParallelEnumerable که در فضای نام System.LINQ قرار گرفته تعریف شده اند. در زیر ابتدا نگاهی به این متدها می اندازیم:

  1. متد AsParallel: این متد مشخص می کند که کوئری های بعد از این متد می بایست به صورت Parallel اجرا شوند.
  2. متد WithCancellation: مشخص می کند که در زمان اجرای کوئری به صورت دائم می بایست وضعیت token مشخص شده بررسی شده و در صورت درخواست Cancel کردن کوئری، روند اجرای آن متوقف شود.
  3. متد WithDegreeOfParallelism: مشخص می کند که چه تعداد پردازشگر باید برای اجرای کوئری تخصیص داده شود.
  4. متد ForAll: برای خروجی وضعیتی را فعال می کند که خروجی قبل از ادغام و بازگرداندن آن به Thread اصلی می بایست به صورت Parallel مورد پردازش تکمیلی قرار گیرد، دقیقاً مانند زمانی که نتیجه خروجی یک کوئری LINQ بوسیله دستور foreach مورد پردازش قرار می گیرد.

برای اینکه به صورت عملی با نحوه نوشتن کوئری های LINQ به صورت Parallel آشنا شویم مثال زیر را در نظر بگیرید:

static void Main(string[] args)
{
    Task.Factory.StartNew(ProcessData);

    Console.ReadKey();
}

public static void ProcessData()
{
    var source = Enumerable.Range(1, 1000000).ToArray();

    var evenNumbers = (from number in source where number%2 == 0 orderby number descending select number).ToArray();

    Console.WriteLine("Found {0} even numbers in source.", evenNumbers.Length);
}

در مثال بالا و در متد ProcessData، ابتدا بوسیله متد Range از کلاس Enumerable یک آرایه از اعداد 1 تا 1000000 ایجاد کردیم و در قدم بعدی بوسیله یک کوئری LINQ اعداد زوج را بدست آوردیم و در نهایت در خروجی تعداد اعداد زوج که بوسیله کوئری استخراج شده اند را در خروجی نمایش دادیم. اما اگر بخواهیم کوئری بالا به صورت Parallel اجرا شود می بایست بوسیله کوئری LINQ را به صورت زیر تغییر دهیم و از متد AsParallel استفاده کنیم:

var evenNumbers = (from number in source.AsParallel() where number%2 == 0 orderby number descending select number).ToArray();

همانطور که مشاهده می کنید، بعد از نوشتن منبع یعنی source از متد AsParallel برای اجرای کوئری به صورت Parallel استفاده کردیم.

Cancel کردن یک کوئری PLINQ

برای اینکه به کاربر قابلیت کنسل کردن کوئری ها را بدهیم از متد WithCancellation استفاده می کنیم، در ابتدا باید یک شئ از CancellationTokenSource ایجاد کنیم:

private static CancellationTokenSource tokenSource = new CancellationTokenSource();

در قدم بعدی به صورت زیر که در قسمت قبلی آموختیم مکانیزم کنسل کردن کوئری را آموزش می دهیم:

static void Main(string[] args)
{
    Task.Factory.StartNew(ProcessData);
    Console.CancelKeyPress += (sender, eventArgs) =>
    {
        eventArgs.Cancel = true;
        tokenSource.Cancel();
    };
    Console.ReadKey();
}

و در نهایت کد مربوط به کوئری را به صورت زیر تغییر می دهیم:

public static void ProcessData()
{
    var source = Enumerable.Range(1, 1000000).ToArray();

    int[] evenNumbers;

    try
    {
        evenNumbers = (from number in source.AsParallel().WithCancellation(tokenSource.Token) where number%2 == 0 orderby number descending select number).ToArray();
        Console.WriteLine("Found {0} even numbers in source.", evenNumbers.Length);
    }
    catch (OperationCanceledException ex)
    {
        Console.WriteLine(ex);
    }

}

همانطور که مشاهده می کنید در قسمت کوئری و بعد از متد AsParallel از متد WithCancellation برای مشخص کردن token تعریف شده که بواسطه آن کوئری را کنسل می کنیم استفاده کردیم. همچنین قسمت کوئری اصلی را داخل بدنه try..catch گذاشتیم، زیرا در صورت فراخوانی متد Cancel برای شئ tokenSource، کوئری به صورت خودکار خطای OperationCanceledException را تولید می کند (با این مکانیزم در قسمت قبلی آموزش آشنا شدیم.)

با اتمام این بخش مباحث مرتبط با TPL در دات نت نیز به پایان رسید، البته مطالب مرتبط با TPL بسیار گسترده بوده و شاید برای پوشش کل مباحث مرتبط نیاز به نوشتن صدها صفحه مطلب باشد، اما کلیت موضوع را سعی کردیم در این سری مطالب مطرح کنیم. در قسمت بعدی که قسمت نهایی سری مطالب Asynchronous Programming است با کلمات کلیدی async و await که روش ساده تری برای نوشتن برنامه های Asynchronous در اختیار ما قرار می دهند آشنا می شویم.

قابلیت async و await در سی شارپ

چگونه با async و await در سی شارپ کار کنیم؟ تا این لحظه از مجموعه مطالب مرتبط با مباحث Asynchronous Programming در سی شارپ با ماهیت Asynchronous در delegate ها، کار با Thread ها و کتابخانه TPL در دات نت آشنا شدیم.

اما باز هم در برخی سناریو ها و انجام کارهای پیچیده در برنامه نویسی Asynchronous، نیاز به حجم زیادی از کدها وجود دارد. از نسخه 4.5 دات، در زبان سی شارپ (و همینطور زبان VB) دو کلمه کلیدی اضافه شد که اجازه نوشتن کدهای Asynchronous را به شکل دیگری به برنامه نویسان می داد.

این دو کلمه کلیدی، کلمات async و await هستند و زمانی که شما در کدهای خود از این دو کلمه کلیدی استفاده می کنید، در زمان کامپایل کدها، کامپایلر کدهایی را برای شما تولید می کند که به صورت بهینه و البته مطمئن کارهای Asynchronous را برای شما انجام می دهند، کدهای تولید شده از کلاس هایی که در فضای نام System.Threading.Tasks قرار دارند استفاده می کنند.

نگاه اولیه با ساختار async و await

زمانی که شما در بخشی از کد خود از کلمه کلیدی async و بر روی متدها، عبارات لامبدا یا متدهای بدون نام استفاده می کنید، در حقیقت می گویید که این قطعه کد به صورت خودکار باید به صورت Asynchronous فراخوانی شود و زمان استفاده از کدی که به صورت async تعریف شده، CLR به صورت خودکار thread جدیدی ایجاد کرده و کد را اجرا می کند.

اما زمان فراخوانی کدهایی که به صورت async تعریف شده اند، استفاده از کلمه await این امکان را فراهم می کند که اجرای thread جاری تا زمان تکمیل اجرای کدی که به صورت async تعریف شده، می بایست متوقف شود.

برای آشنایی بیشتر برنامه ای از نوع Windows Forms Application ایجاد کرده، یک Button بر روی فرم قرار می دهیم. زمانی که بر روی Button ایجاد شده کلیک می شود، یک متد دیگر فراخوانی شده و بعد از یک وقفه 10 ثانیه ای عبارتی را بر میگرداند و در نهایت این متن به عنوان Title برای فرم برنامه ست می شود:

public partial class MainForm : Form
{
    public MainForm()
    {
        InitializeComponent();
    }

    private void CallButton_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        this.Text = DoWork();
    }

    private string DoWork()
    {
        Thread.Sleep(10000);
        return "Done.";
    }
}

مشکلی که وجود دارد این است که بعد از کلیک بر روی Button ایجاد شده، 10 ثانیه باید منتظر شده تا عنوان فرم تغییر کند. اما با انجام یکسری تغییرات در کد بالا، می توان بوسیله کلمات کلیدی async و await کاری کرد که عملیات اجرای متد به صورت Asynchronous انجام شود. برای اینکار کد بالا را به صورت زیر تغییر می دهیم:

public partial class MainForm : Form
{
    public MainForm()
    {
        InitializeComponent();
    }

    private async void CallButton_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        this.Text = await DoWork();
    }

    private Task DoWork()
    {
        return Task.Run(() =>
        {
            Thread.Sleep(10000);
            return "Done.";
        });
    }
}

بعد از اجرای برنامه، خواهیم دید که فرم ما به قول معروف block نمی شود، یعنی تا زمان اتمام فراخوانی DoWork می توانیم کارهای دیگری در فرم انجام دهیم. اگر در کد بالا دقت کنید، متدی که برای رویداد Click دکمه CallButton تعریف شده، با کلمه کلیدی async مشخص شده، یعنی اجرای این متد باید به صورت Aynchronous انجام شود.

علاوه بر این، داخل بدنه این متد، زمان فراخوانی DoWork از کلمه await استفاده کردیم، دقت کنید که نوشتن کلمه کلیدی await اینجا الزامی است، اگر این کلمه کلیدی نوشته نشود، زمان اجرای DoWork باز هم عملیات فراخوانی متد باعث block شدن فرم ما می شود.

همچنین دقت کنید که متد DoWork به جای اینکه مقدار string برگرداند، مقداری از نوع Task بر میگرداند. زمانی که متد DoWork فراخوانی می شود، یک Task جدید اجرا می شود و داخل Task ابتدا عملیات اجرای Thread به مدت 10 ثانیه متوقف می شود و بعد از 10 ثانیه یک رشته به عنوان خروجی برگردانده می شود.

البته این رشته تحت یک شئ از نوع Task به متدی که DoWork را فراخوانی کرده بازگردانده می شود. با تعریف بالا، شاید بتوان بهتر نقش کلمه کلیدی await را متوجه شد، زمانی که برنامه به کلمه کلیدی await می رسد، در حقیقت منتظر می ماند تا عملیات فراخوانی متدی که await قبل از آن نوشته شده به اتمام برسد، سپس مقدار خروجی از داخل Task مربوطه برداشته شده و داخل خصوصیت Text قرار داده می شود.

قواعد نام گذاری برای متدهای Async

همانطور که گفتیم، داخل متدهایی که با async مشخص شده اند، حتماً می بایست کلمه کلیدی await نیز نوشته شود. اما از کجا بدانیم کدام متدها می توانند به صورت Async فراخوانی شوند؟ یعنی نوع خروجی آن ها یک Task است؟ اصطلاحاً به متدهایی که خروجی آن ها از نوع <Task

private async Task DoWorkAsync()
{
    return await Task.Run(() =>
    {
        Thread.Sleep(10000);
        return "Done.";
    });
}

با انجام تغییرات بالا، کد رویداد Click را برای CallButton به صورت زیر تغییر می دهیم:

private async void CallButton_Click(object sender, EventArgs e)
{
    this.Text = await DoWorkAsync();
}

متدهای Async با مقدار خروجی void

در صورتی که متدی که قرار است به صورت async فراخوانی شود، مقدار خروجی ندارد می توان نوع خروجی متد را از نوع کلاس غیر جنریک Task انتخاب کرد و کلمه کلیدی return را ننوشت:

        private async Task DoWorkAsync()
        {
            await Task.Run(() =>
            {
                Thread.Sleep(10000);
            });
        }

فراخوانی این متد نیز به صورت زیر خواهد بود:

await DoWorkAsync();
MessageBox.Show("Done.");

متدهای async با چندین await

یکی از قابلیت های async و await، نوشتن چندین قسمت await در یک متد async است. نمونه کد زیر حالت گفته شده را نشان می دهد:

private async void CallButton_Click(object sender, EventArgs e)
{
    await Task.Run(() => { Thread.Sleep(5000); });
    MessageBox.Show("First Task Done!");

    await Task.Run(() => { Thread.Sleep(5000); });
    MessageBox.Show("Second Task Done!");

    await Task.Run(() => { Thread.Sleep(5000); });
    MessageBox.Show("Third Task Done!");
}

دقت کنید که برای await های بالا متدی تعریف نکردیم و تنها در مقابل آن متد Run از کلاس Task را فراخوانی کردیم. البته این موضوع ربطی به چند await بودن متد ندارد و شما می تواند متد هایی که خروجی آن ها از نوع Task است را نیز فراخوانی کنید.

این حالت تنها برای مثال به این صورت نوشته شده است.با اتمام این بخش از آموزش و آشنایی با کلمات async و await، بحث ما در مورد برنامه نویسی Asynchronous نیز به پایان می رسد. امیدوارم که این سری آموزشی مورد توجه شما دوستان عزیز قرار گرفته باشد


حسین احمدی
حسین احمدی

بنیانگذار توسینسو و برنامه نویس و توسعه دهنده ارشد وب

حسین احمدی ، بنیانگذار TOSINSO ، توسعه دهنده وب و برنامه نویس ، بیش از 12 سال سابقه فعالیت حرفه ای در سطح کلان ، مشاور ، مدیر پروژه و مدرس نهادهای مالی و اعتباری ، تخصص در پلتفرم دات نت و زبان سی شارپ ، طراحی و توسعه وب ، امنیت نرم افزار ، تحلیل سیستم های اطلاعاتی و داده کاوی ...

01 مرداد 1395 این مطلب را ارسال کرده

نظرات