任务并行库（Task Parallel Library, TPL）简介

任务并行库 (TPL) 是 .NET Framework 和 .NET Core 中提供的一组类和方法，位于命名空间 System.Threading.Tasks。它通过任务 (Task) 和任务计划程序简化了并行编程和异步操作，抽象了线程的直接操作，提供更高效和易于使用的多线程解决方案。

TPL 的核心组成部分

1. Task 类： 表示一个异步操作。是 TPL 的核心，用于启动、管理、等待和处理多线程任务。
2. Task<T> 类： 一个带有返回值的任务，用于异步执行后返回结果。
3. 任务调度程序 (Task Scheduler)： 负责管理和调度任务，默认情况下基于线程池实现，可以自定义任务调度器。
4. 并行循环 (Parallel 类): 提供简单的并行执行循环方法，比如 Parallel.For 和 Parallel.ForEach。
5. 数据并行化： 使用 Parallel LINQ (PLINQ) 实现数据处理的并行化。

TPL 的主要作用

1. 简化并发编程： 无需直接操作线程，通过 Task 类即可启动和管理异步操作。
2. 更高效的资源利用： 基于线程池实现任务调度，避免了频繁创建和销毁线程的开销。
3. 自动化任务管理： 提供任务取消、异常处理、任务依赖和组合等高级功能。
4. 支持可扩展性： 提供了并行循环和 PLINQ，可以轻松地对 CPU 密集型任务进行并行化。
5. 增强代码可读性： 使用 Task 或 async/await，代码结构更清晰。

如何使用 TPL

1. 基本任务创建和执行

使用 Task 类来执行异步任务。

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        // 创建并启动任务
        Task task = Task.Run(() =>
        {
            for (int i = 1; i <= 5; i++)
            {
                Console.WriteLine(#34;Task running: {i}");
            }
        });

        Console.WriteLine("Main thread is running.");
        task.Wait(); // 等待任务完成
    }
}

2. 带返回值的任务 (Task<T>)

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        // 创建并启动带返回值的任务
        Task<int> task = Task.Run(() =>
        {
            int sum = 0;
            for (int i = 1; i <= 100; i++)
            {
                sum += i;
            }
            return sum;
        });

        Console.WriteLine(#34;Task result: {task.Result}"); // 获取任务返回值
    }
}

3. 并行执行任务

可以使用 Task.WhenAll 或 Task.WhenAny 来等待多个任务完成。

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static async Task Main(string[] args)
    {
        // 定义多个任务
        Task task1 = Task.Run(() => Console.WriteLine("Task 1 running"));
        Task task2 = Task.Run(() => Console.WriteLine("Task 2 running"));

        // 等待所有任务完成
        await Task.WhenAll(task1, task2);

        Console.WriteLine("All tasks completed.");
    }
}

4. 并行循环 (Parallel.For和Parallel.ForEach)

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        // 使用 Parallel.For 实现并行循环
        Parallel.For(0, 10, i =>
        {
            Console.WriteLine(#34;Parallel Loop: {i}");
        });

        Console.WriteLine("Main thread is running.");
    }
}

5. 任务取消

使用 CancellationToken 管理任务的取消。

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static async Task Main(string[] args)
    {
        CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();

        Task task = Task.Run(() =>
        {
            for (int i = 1; i <= 10; i++)
            {
                if (cts.Token.IsCancellationRequested)
                {
                    Console.WriteLine("Task canceled.");
                    break;
                }

                Console.WriteLine(#34;Task running: {i}");
                Thread.Sleep(500); // 模拟工作
            }
        }, cts.Token);

        Thread.Sleep(2000); // 主线程延迟
        cts.Cancel(); // 取消任务

        await task;
        Console.WriteLine("Main thread completed.");
    }
}

TPL 的优点

1. 简化了多线程开发： 不需要直接处理复杂的线程创建和管理。
2. 提高性能： 任务被调度到线程池，避免了线程的频繁创建和销毁。
3. 灵活性： 支持任务组合、取消、超时和异常处理。
4. 强大的并行化支持： 提供了并行循环和 PLINQ，可以充分利用多核 CPU。

适用场景

1. 异步操作： 如文件读写、网络请求等。
2. CPU 密集型任务： 如数学计算、图像处理等需要并行化的工作。
3. 多任务管理： 如任务组合、任务取消、依赖任务执行等。
4. 大数据处理： 如通过 PLINQ 或并行循环处理数据集。

总结

任务并行库 (TPL) 是 C# 中功能强大的多线程编程工具，提供了任务 (Task) 和并行化支持（如 Parallel 和 PLINQ）。它既简化了多线程开发，又提升了资源利用率，是现代 C# 开发中异步和并行编程的首选。