[原创] 具有依赖关系的并行操作执行

发布时间：2020-05-27 13:59:23 所属栏目：程序设计来源：互联网

导读：今天看到看到一篇MSDN文章《Parallelizing Operations With Dependencies》,作者是微软Parallel Computing Platform团队的一个开发经理。文中提供出一种用于并行执行一组具有依赖关系的操作的解决方案，这不由得想起我在一年之前写的一个具有相同的功能的组件

今天看到看到一篇MSDN文章《Parallelizing Operations With Dependencies》,作者是微软Parallel Computing Platform团队的一个开发经理。文中提供出一种用于并行执行一组具有依赖关系的操作的解决方案，这不由得想起我在一年之前写的一个具有相同的功能的组件。于是翻箱倒柜找了出来，进行了一些加工，与大家分享一下。

一、问题分析

我们知道，较之串行化的操作，并行计算将多个任务同时执行，从而充分利用了资源，提高了应用的整体性能。对于多个互不相干的操作，我们可以直接按照异步的方式执行就可以。但是，我们遇到的很多情况下是，部分操作之间具有相互依赖的关系，一个操作需要在其他依赖的操作执行完成后方可执行。以下图为例，每一个圆圈代表要执行的操作，操作之间的肩头代表它们之间的依赖关系。

我们需要一个组件，帮助我们完成这样的工作：将相应的操作和依赖关系直接添加到一个容器中，我们的组件能够自动分析操作之间的依赖关系，在执行的时候根据依赖编排执行顺序。

二、采用并行操作执行器

使用我所提供的这样一个并行操作执行器（ParallelExecutor），可以帮我们解决这个问题。首先对操作本身进行抽象，用以下三个属性来描述一个并行计算场景中的操作：

Operation ID: 操作的唯一标识，字符类型
Action：操作具体执行的功能，使用Action代理表示
Depedencies：依赖操作列表

在使用ParallelExecutor对操作进行并行执行之前，我们需要通过ParallelExecutor的两个AddOperation方法添加需要执行的操作。AddOperation定义如下。其中dependencies代表以来操作ID数组，返回值为当前创建的操作ID。

   1: public class ParallelExecutor

   2: {

3:

   4:     public string AddOperation(string id,Action action)

   5:     {

   6:         //省略实现

   7:     }

8:

   9:     public string AddOperation(string id,Action action,string[] dependencies)

  10:     {

  11:         //省略实现

  12:     }

  13: }

14:

对于上图中的操作的依赖结构，我们通过下面的代码将所有的操作添加到创建的ParallelExecutor之中并执行。在这里的具体实现的操作仅仅是打印出操作的ID，以便我们清楚地知道操作执行的先后顺序是否满足依赖关系：

1: static void Main(string[] args)

   3:     Action<string> action = id=> {Console.WriteLine(id);};

4:

   5:     var executor = new ParallelExecutor();

   6:     var a1 = executor.AddOperation("A1",() => action("A1"));

   7:     var a2 = executor.AddOperation("A2",() => action("A2"));

   8:     var a3 = executor.AddOperation("A3",() => action("A3"));

9:

  10:     var b1 = executor.AddOperation("B1",() => action("B1"),new string[] { a1,a2 });

  11:     var b2 = executor.AddOperation("B2",() => action("B2"),new string[] { a3 });

12:

  13:     var c1 = executor.AddOperation("C1",() => action("C1"),new string[] { b1,b2 });

  14:     var c2 = executor.AddOperation("C2",() => action("C2"));

15:

  16:     executor.Execute();

  17: Console.Read();

  18: }

19:

由于是操作的并行执行，线程调度的不确定性使每次输出的结果各有不同。但是无论如何，需要满足上图中展现的依赖关系。下面是其中一种执行结果，可以看出这是合理的执行顺序。

1: A3

   2: B2

   3: A1

   4: A2

   5: C2

   6: B1

   7: C1

三、操作是如何被执行的

实现这样的并行计算有很多种解决方案。不同的解决方案大都体现在对于单一的操作该如何执行上。在我们提供这个解决方案中，我按照这样的方案来执行任意一个操作：

直接执行无依赖的操作

如果需要执行的操作并不依赖于任何一个操作（比如C2），那么我们直接运行就好了，这没有什么好说的。

先执行依赖操作，通过注册事件的方式执行被依赖的操作

如果一个操作依赖于一组操作，在执行之前注册依赖操作的结束事件实现，被依赖操作的执行发生在某个一个依赖操作的Completed事件触发后。具体来讲，上图中C1具有两个以来操作B1和B2，在初始化时，C1上会有一个用于计算尚未执行的依赖操作的个数，并注册B1和B2得操作结束事件上面。当B1和B2执行结束后，会触发该事件。每次事件触发，C1上的计数器将会减1，如果计数器为0，则表明所有的依赖操作执行结束，则执行C1相应的操作。

四、具体实现

现在我们来看看详细设计和具体实现。首先通过下面的类图看看涉及到的所有类型。其中Operation类型是最为重要的一个类型，它代表一个具体的操作。

操作的属性

一个操作具有如下属性：

ID：String类型，操作的唯一标识
Action：Action类型，操作具体是实现的功能
Dependencies：Operation数组，依赖的操作
Status：Operation枚举，操作当前的状态
ExecutionContext：ExecutionContext类型，用于传递线程执行的上下文

1: public class Operation

   2: {

   3:     //其他成员

   4:     public string ID

   5:     { get; private set; }

6:

   7:     public Action Action

   8:     { get; private set; }

  10:     public Operation[] Dependencies

  11:     { get; private set; }

  13:     public OperationStatus Status

  14:     { get; private set; }

  16:     public ExecutionContext ExecutionContext

  17:     { get; private set; }

18:

  19:     public Operation(string id,Action action)

  20:     {

  21:         if (string.IsNullOrEmpty(id))

  22:         {

  23:             throw new ArgumentNullException("id");

  24:         }

25:

  26:         if (null == action)

  27:         {

  28:             throw new ArgumentNullException("action");

  29:         }

  30:         this.Status = OperationStatus.Created;

  31:         this.ID = id;

  32:         this.Action = action;

  33:         this.Dependencies = new Operation[0];

  34:     }

35:

  36:     public Operation(string id,Operation[] dependencies)

  37:         : this(id,action)

  38:     {

  39:         if (null == dependencies)

  40:         {

  41:             throw new ArgumentNullException("dependencies");

  42:         }

43:

  44:         this.Dependencies = dependencies;

  45:     }

  46: }

47:

（编辑：安卓应用网）

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