文档建议反馈控制台
首页
学习
活动
专区
圈层
工具
MCP广场
文章/答案/技术大牛
发布
社区首页 >专栏 >具有依赖关系的并行操作执行

具有依赖关系的并行操作执行

作者头像
javascript.shop
发布于 2019-09-04 15:52:57
发布于 2019-09-04 15:52:57
7.3K0
举报
文章被收录于专栏：杰的记事本杰的记事本

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。

代码语言：javascript
复制
   1: public class ParallelExecutor
代码语言：javascript
复制
   2: {
代码语言：javascript
复制
   3:
代码语言：javascript
复制
   4:     public string AddOperation(string id, Action action)
代码语言：javascript
复制
   5:     {
代码语言：javascript
复制
   6:         //省略实现
代码语言：javascript
复制
   7:     }
代码语言：javascript
复制
   8:
代码语言：javascript
复制
   9:     public string AddOperation(string id, Action action, string[] dependencies)
代码语言：javascript
复制
  10:     {
代码语言：javascript
复制
  11:         //省略实现
代码语言：javascript
复制
  12:     }
代码语言：javascript
复制
  13: }
代码语言：javascript
复制
  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：

代码语言：javascript
复制
   1: static void Main(string[] args)
代码语言：javascript
复制
   2: {
代码语言：javascript
复制
   3:     Action<string> action = id=> {Console.WriteLine(id);};
代码语言：javascript
复制
   4:
代码语言：javascript
复制
   5:     var executor = new ParallelExecutor();
代码语言：javascript
复制
   6:     var a1 = executor.AddOperation("A1", () => action("A1"));
代码语言：javascript
复制
   7:     var a2 = executor.AddOperation("A2", () => action("A2"));
代码语言：javascript
复制
   8:     var a3 = executor.AddOperation("A3", () => action("A3"));
代码语言：javascript
复制
   9:
代码语言：javascript
复制
  10:     var b1 = executor.AddOperation("B1", () => action("B1"), new string[] { a1, a2 });
代码语言：javascript
复制
  11:     var b2 = executor.AddOperation("B2", () => action("B2"), new string[] { a3 });
代码语言：javascript
复制
  12:
代码语言：javascript
复制
  13:     var c1 = executor.AddOperation("C1", () => action("C1"), new string[] { b1,b2 });
代码语言：javascript
复制
  14:     var c2 = executor.AddOperation("C2", () => action("C2"));
代码语言：javascript
复制
  15:
代码语言：javascript
复制
  16:     executor.Execute();
代码语言：javascript
复制
  17: Console.Read();
代码语言：javascript
复制
  18: }
代码语言：javascript
复制
  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。

代码语言：javascript
复制
   1: A3
代码语言：javascript
复制
   2: B2
代码语言：javascript
复制
   3: A1
代码语言：javascript
复制
   4: A2
代码语言：javascript
复制
   5: C2
代码语言：javascript
复制
   6: B1
代码语言：javascript
复制
   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 
代码语言：javascript
复制
   1: public class Operation
代码语言：javascript
复制
   2: {
代码语言：javascript
复制
   3:     //其他成员
代码语言：javascript
复制
   4:     public string ID
代码语言：javascript
复制
   5:     { get; private set; }
代码语言：javascript
复制
   6:
代码语言：javascript
复制
   7:     public Action Action
代码语言：javascript
复制
   8:     { get; private set; }
代码语言：javascript
复制
   9:
代码语言：javascript
复制
  10:     public Operation[] Dependencies
代码语言：javascript
复制
  11:     { get; private set; }
代码语言：javascript
复制
  12:
代码语言：javascript
复制
  13:     public OperationStatus Status
代码语言：javascript
复制
  14:     { get; private set; }
代码语言：javascript
复制
  15:
代码语言：javascript
复制
  16:     public ExecutionContext ExecutionContext
代码语言：javascript
复制
  17:     { get; private set; }
代码语言：javascript
复制
  18:
代码语言：javascript
复制
  19:     public Operation(string id, Action action)
代码语言：javascript
复制
  20:     {
代码语言：javascript
复制
  21:         if (string.IsNullOrEmpty(id))
代码语言：javascript
复制
  22:         {
代码语言：javascript
复制
  23:             throw new ArgumentNullException("id");
代码语言：javascript
复制
  24:         }
代码语言：javascript
复制
  25:
代码语言：javascript
复制
  26:         if (null == action)
代码语言：javascript
复制
  27:         {
代码语言：javascript
复制
  28:             throw new ArgumentNullException("action");
代码语言：javascript
复制
  29:         }
代码语言：javascript
复制
  30:         this.Status = OperationStatus.Created;
代码语言：javascript
复制
  31:         this.ID = id;
代码语言：javascript
复制
  32:         this.Action = action;
代码语言：javascript
复制
  33:         this.Dependencies = new Operation[0];
代码语言：javascript
复制
  34:     }
代码语言：javascript
复制
  35:
代码语言：javascript
复制
  36:     public Operation(string id, Action action, Operation[] dependencies)
代码语言：javascript
复制
  37:         : this(id, action)
代码语言：javascript
复制
  38:     {
代码语言：javascript
复制
  39:         if (null == dependencies)
代码语言：javascript
复制
  40:         {
代码语言：javascript
复制
  41:             throw new ArgumentNullException("dependencies");
代码语言：javascript
复制
  42:         }
代码语言：javascript
复制
  43:
代码语言：javascript
复制
  44:         this.Dependencies = dependencies;
代码语言：javascript
复制
  45:     }
代码语言：javascript
复制
  46: }
代码语言：javascript
复制
  47: 

操作事件

当前操作执行的状态通过OperationStatus表示，四个枚举值分别表示被创建、正在运行、运行结束和失败（抛出异常）。

代码语言：javascript
复制
   1: public enum OperationStatus
代码语言：javascript
复制
   2: {
代码语言：javascript
复制
   3:     Created,
代码语言：javascript
复制
   4:     Running,
代码语言：javascript
复制
   5:     Completed,
代码语言：javascript
复制
   6: Failed
代码语言：javascript
复制
   7: }

操作还具有三个时间，分别在开始执行、结束执行和执行失败时触发。这三个事件名称分别为OperationStarted、OperationCompleted和OperationFailed。

代码语言：javascript
复制
   1: public class Operation
代码语言：javascript
复制
   2: {
代码语言：javascript
复制
   3:     //其他成员
代码语言：javascript
复制
   4:     public event EventHandler<OperationEventArgs> OperationStarted;
代码语言：javascript
复制
   5:     public event EventHandler<OperationFailedEventArgs> OperationFailed;
代码语言：javascript
复制
   6:     public event EventHandler<OperationEventArgs> OperationCompleted;
代码语言：javascript
复制
   7: }
代码语言：javascript
复制
   8: 

OperationStarted和OperationCompleted事件对应的参数类型为OperationEventArgs。OperationEventArgs直接继承自EventArgs，并定义了一个Operation属性代表对应的Operation对象。

代码语言：javascript
复制
   1: public class OperationEventArgs : EventArgs
代码语言：javascript
复制
   2: {
代码语言：javascript
复制
   3:     public OperationEventArgs(Operation operation)
代码语言：javascript
复制
   4:     {
代码语言：javascript
复制
   5:         if (null == operation)
代码语言：javascript
复制
   6:         {
代码语言：javascript
复制
   7:             throw new ArgumentNullException("operation");
代码语言：javascript
复制
   8:         }
代码语言：javascript
复制
   9:
代码语言：javascript
复制
  10:         this.Operation = operation;
代码语言：javascript
复制
  11:     }
代码语言：javascript
复制
  12:
代码语言：javascript
复制
  13:     public Operation Operation
代码语言：javascript
复制
  14:     { get; private set; }
代码语言：javascript
复制
  15: }
代码语言：javascript
复制
  16: 

OperationFailed的事件参数类型为OperationFailedEventArgs。继承自OperationEventArgs，在此基础上添加了一个Exception类型的Error属性，表示抛出的异常。

操作初始化和事件注册

在第三节中已经谈到过了，被依赖操作的执行通过的依赖操作执行完成后触发OperationCompleted事件的是实现。事件注册必须在ParallelExecutor执行之前完成，在这里我定义了一个Initialize方法，在里面完成事件注册工作：

代码语言：javascript
复制
   1: public class Operation
代码语言：javascript
复制
   2: {
代码语言：javascript
复制
   3:     //其他成员
代码语言：javascript
复制
   4:     private int _remainingDependencies;
代码语言：javascript
复制
   5:     private List<Operation> _registeredParentOps = new List<Operation>();
代码语言：javascript
复制
   6:
代码语言：javascript
复制
   7:     private static void RegisterCompletedEvents(Operation operation)
代码语言：javascript
复制
   8:     {
代码语言：javascript
复制
   9:         operation._remainingDependencies = operation.Dependencies.Length;
代码语言：javascript
复制
  10:         foreach (var op in operation.Dependencies)
代码语言：javascript
复制
  11:         {
代码语言：javascript
复制
  12:             if (op._registeredParentOps.Contains(operation))
代码语言：javascript
复制
  13:             {
代码语言：javascript
复制
  14:                 continue;
代码语言：javascript
复制
  15:             }
代码语言：javascript
复制
  16:             RegisterCompletedEvents(op);
代码语言：javascript
复制
  17:             op.OperationCompleted += (sender, args) =>
代码语言：javascript
复制
  18:                 {
代码语言：javascript
复制
  19:                     operation._remainingDependencies--;
代码语言：javascript
复制
  20:                     if (operation._remainingDependencies <= 0)
代码语言：javascript
复制
  21:                     {
代码语言：javascript
复制
  22:                         operation.DoExecute();
代码语言：javascript
复制
  23:                     }
代码语言：javascript
复制
  24:                 };
代码语言：javascript
复制
  25:             op._registeredParentOps.Add(operation);
代码语言：javascript
复制
  26:         }
代码语言：javascript
复制
  27:     }
代码语言：javascript
复制
  28:
代码语言：javascript
复制
  29:     public void Initialize()
代码语言：javascript
复制
  30:     {
代码语言：javascript
复制
  31:         RegisterCompletedEvents(this);
代码语言：javascript
复制
  32:    }
代码语言：javascript
复制
  33: }

操作执行

ParallelExecutor通过调用Operation的Execute方法执行相应的操作。在Execute方法中，如果是独立的操作，则执行执行，否则异步执行依赖操作，这是一个递归的过程。操作的具体实现定义在DoExecute方法中。

代码语言：javascript
复制
   1: public class Operation
代码语言：javascript
复制
   2: {
代码语言：javascript
复制
   3:     //其他成员
代码语言：javascript
复制
   4:     private void DoExecute()
代码语言：javascript
复制
   5:     {
代码语言：javascript
复制
   6:         if (this.Status != OperationStatus.Created)
代码语言：javascript
复制
   7:         {
代码语言：javascript
复制
   8:             return;
代码语言：javascript
复制
   9:         }
代码语言：javascript
复制
  10:
代码语言：javascript
复制
  11:         if (null != this.OperationStarted)
代码语言：javascript
复制
  12:         {
代码语言：javascript
复制
  13:             this.OperationStarted(this, new OperationEventArgs(this));
代码语言：javascript
复制
  14:         }
代码语言：javascript
复制
  15:
代码语言：javascript
复制
  16:         this.Status = OperationStatus.Running;
代码语言：javascript
复制
  17:         try
代码语言：javascript
复制
  18:         {
代码语言：javascript
复制
  19:             if (null != this.ExecutionContext)
代码语言：javascript
复制
  20:             {
代码语言：javascript
复制
  21:                 ExecutionContext.Run(this.ExecutionContext.CreateCopy(), state => this.Action(), null);
代码语言：javascript
复制
  22:             }
代码语言：javascript
复制
  23:             else
代码语言：javascript
复制
  24:             {
代码语言：javascript
复制
  25:                 this.Action();
代码语言：javascript
复制
  26:             }
代码语言：javascript
复制
  27:
代码语言：javascript
复制
  28:             this.Status = OperationStatus.Completed;
代码语言：javascript
复制
  29:             if (null != this.OperationCompleted)
代码语言：javascript
复制
  30:             {
代码语言：javascript
复制
  31:                 this.OperationCompleted(this, new OperationEventArgs(this));
代码语言：javascript
复制
  32:             }
代码语言：javascript
复制
  33:         }
代码语言：javascript
复制
  34:         catch (Exception ex)
代码语言：javascript
复制
  35:         {
代码语言：javascript
复制
  36:             this.Status = OperationStatus.Failed;
代码语言：javascript
复制
  37:             if (null != this.OperationFailed)
代码语言：javascript
复制
  38:             {
代码语言：javascript
复制
  39:                 this.OperationFailed(this, new OperationFailedEventArgs(this, ex));
代码语言：javascript
复制
  40:             }
代码语言：javascript
复制
  41:         }
代码语言：javascript
复制
  42:     }
代码语言：javascript
复制
  43:
代码语言：javascript
复制
  44:     [MethodImplAttribute(MethodImplOptions.Synchronized)]
代码语言：javascript
复制
  45:     public void Execute()
代码语言：javascript
复制
  46:     {
代码语言：javascript
复制
  47:         if (this.Dependencies.Length == 0)
代码语言：javascript
复制
  48:         {
代码语言：javascript
复制
  49:             this.DoExecute();
代码语言：javascript
复制
  50:         }
代码语言：javascript
复制
  51:
代码语言：javascript
复制
  52:         foreach (var operation in this.Dependencies)
代码语言：javascript
复制
  53:         {
代码语言：javascript
复制
  54:             var op = operation;
代码语言：javascript
复制
  55:             ThreadPool.UnsafeQueueUserWorkItem(state => op.Execute(), null);
代码语言：javascript
复制
  56:         }
代码语言：javascript
复制
  57:
代码语言：javascript
复制
  58:     }
代码语言：javascript
复制
  59: }
代码语言：javascript
复制
  60: 

ParallelExecutor

ParallelExecutor提供操作的添加和整体执行。添加操作实现在两个重载的AddOperation方法中，逻辑并不复杂。当执行Execute方法对所有的操作进行并行执行的时候，需要调用Initialize方法对每个操作进行初始化。然后异步调用每个操作的Execute方法即可。

代码语言：javascript
复制
   1: public class ParallelExecutor
代码语言：javascript
复制
   2: {
代码语言：javascript
复制
   3:     public ParallelExecutor()
代码语言：javascript
复制
   4:     {
代码语言：javascript
复制
   5:         this.Operations = new Dictionary<string, Operation>();
代码语言：javascript
复制
   6:     }
代码语言：javascript
复制
   7:
代码语言：javascript
复制
   8:     public IDictionary<string, Operation> Operations
代码语言：javascript
复制
   9:     { get; private set; }
代码语言：javascript
复制
  10:
代码语言：javascript
复制
  11:     public void Execute()
代码语言：javascript
复制
  12:     {
代码语言：javascript
复制
  13:         foreach (var operation in this.Operations.Values)
代码语言：javascript
复制
  14:         {
代码语言：javascript
复制
  15:             operation.Initialize();
代码语言：javascript
复制
  16:         }
代码语言：javascript
复制
  17:
代码语言：javascript
复制
  18:         foreach (var operation in this.Operations.Values)
代码语言：javascript
复制
  19:         {
代码语言：javascript
复制
  20:             var op = operation;
代码语言：javascript
复制
  21:             ThreadPool.UnsafeQueueUserWorkItem(state => op.Execute(), null);
代码语言：javascript
复制
  22:         }
代码语言：javascript
复制
  23:     }
代码语言：javascript
复制
  24:
代码语言：javascript
复制
  25:     public string AddOperation(string id, Action action)
代码语言：javascript
复制
  26:     {
代码语言：javascript
复制
  27:         ValidateOperation(id, action);
代码语言：javascript
复制
  28:         this.Operations.Add(id, new Operation(id, action));
代码语言：javascript
复制
  29:         return id;
代码语言：javascript
复制
  30:     }
代码语言：javascript
复制
  31:
代码语言：javascript
复制
  32:     private void ValidateOperation(string id, Action action)
代码语言：javascript
复制
  33:     {
代码语言：javascript
复制
  34:         if (null == action)
代码语言：javascript
复制
  35:         {
代码语言：javascript
复制
  36:             throw new ArgumentNullException("action");
代码语言：javascript
复制
  37:         }
代码语言：javascript
复制
  38:
代码语言：javascript
复制
  39:         if (this.Operations.ContainsKey(id))
代码语言：javascript
复制
  40:         {
代码语言：javascript
复制
  41:             throw new ArgumentException(string.Format("There is an existing operation whose ID is \"{0}\"", id));
代码语言：javascript
复制
  42:         }
代码语言：javascript
复制
  43:     }
代码语言：javascript
复制
  44:
代码语言：javascript
复制
  45:     public string AddOperation(string id, Action action, string[] dependencies)
代码语言：javascript
复制
  46:     {
代码语言：javascript
复制
  47:         ValidateOperation(id, action);
代码语言：javascript
复制
  48:         if (null == dependencies)
代码语言：javascript
复制
  49:         {
代码语言：javascript
复制
  50:             throw new ArgumentNullException("dependencies");
代码语言：javascript
复制
  51:         }
代码语言：javascript
复制
  52:
代码语言：javascript
复制
  53:         foreach (var op in dependencies)
代码语言：javascript
复制
  54:         {
代码语言：javascript
复制
  55:             if (!this.Operations.ContainsKey(op))
代码语言：javascript
复制
  56:             {
代码语言：javascript
复制
  57:                 throw new ArgumentException(string.Format("The operation whose ID is \"{0}\" does not exist!", op));
代码语言：javascript
复制
  58:             }
代码语言：javascript
复制
  59:         }
代码语言：javascript
复制
  60:
代码语言：javascript
复制
  61:         var operation = new Operation(id, action,
代码语言：javascript
复制
  62:                this.Operations.Values.
代码语言：javascript
复制
  63:                Where(op => Array.Exists<string>(dependencies, opId => opId == op.ID)).ToArray<Operation>());
代码语言：javascript
复制
  64:
代码语言：javascript
复制
  65:         this.Operations.Add(id, operation);
代码语言：javascript
复制
  66:         return id;
代码语言：javascript
复制
  67:     }
代码语言：javascript
复制
  68: }
代码语言：javascript
复制
  69: 
本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自作者个人站点/博客。
原始发表：2009年10月20日，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除
action
dependencies
execute
execution
事件

本文分享自 作者个人站点/博客 前往查看

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划  ，欢迎热爱写作的你一起参与！

action
dependencies
execute
execution
事件
评论
登录后参与评论
0 条评论
热度
最新
登录 后参与评论
推荐阅读
领券

腾讯云开发者

扫码关注腾讯云开发者

扫码关注腾讯云开发者

领取腾讯云代金券

热门产品

热门推荐

更多推荐

Copyright © 2013 - 2026 Tencent Cloud. All Rights Reserved. 腾讯云 版权所有 

深圳市腾讯计算机系统有限公司 ICP备案/许可证号：粤B2-20090059 粤公网安备44030502008569号

腾讯云计算（北京）有限责任公司 京ICP证150476号 |  京ICP备11018762号

问题归档专栏文章快讯文章归档关键词归档开发者手册归档开发者手册 Section 归档

Copyright © 2013 - 2026 Tencent Cloud.

All Rights Reserved. 腾讯云 版权所有

登录 后参与评论