برنامه‌نویسی موازی در C#

مقدمه

در درس‌های گذشته دیدیم که مدیریت دستی نخ‌ها می‌تواند پیچیده و مستعد خطا باشد. برای ساده‌سازی برنامه‌نویسی موازی و بهره‌برداری بهینه از پردازنده‌های چندهسته‌ای مدرن، فریم‌ورک .NET یک کتابخانه‌ی سطح بالا و قدرتمند به نام Task Parallel Library (TPL) را معرفی کرده است. TPL که در فضای نام System.Threading.Tasks قرار دارد، به طور هوشمند کارها را بین هسته‌های موجود تقسیم کرده و مدیریت نخ‌ها را از دید برنامه‌نویس پنهان می‌کند. این کتابخانه به ما اجازه می‌دهد تا بر روی منطق موازی‌سازی تمرکز کنیم، نه بر روی جزئیات مدیریت نخ. در این درس، با کلاس استاتیک Parallel به عنوان نقطه‌ی ورود به دنیای TPL آشنا می‌شویم.

کلاس استاتیک `Parallel`

کلاس System.Threading.Tasks.Parallel مجموعه‌ای از متدهای استاتیک را برای پیاده‌سازی الگوهای رایج موازی‌سازی فراهم می‌کند. این کلاس به طور خودکار داده‌ها یا تکرارها را بین چندین نخ از استخر نخ (Thread Pool) تقسیم می‌کند تا به صورت موازی اجرا شوند.

حلقه‌های Parallel.For و Parallel.ForEach

دو مورد از پرکاربردترین متدهای کلاس Parallel، نسخه‌های موازی حلقه‌های for و foreach هستند. این متدها برای سناریوهایی طراحی شده‌اند که در آن‌ها هر تکرار حلقه از تکرارهای دیگر مستقل است.

متد Parallel.For

این متد معادل موازی یک حلقه‌ی for استاندارد است. این متد یک عمل (Action) را برای محدوده‌ای از اندیس‌ها به صورت موازی اجرا می‌کند.

Program.cs

Console.WriteLine("Executing loop in parallel:");
// The loop body (the lambda expression) will be executed for i from 0 to 9.
// The iterations may run on different threads and in a non-sequential order.
Parallel.For(0, 10, i =>
{
    Console.WriteLine($"Iteration {i} running on thread {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    Thread.Sleep(100); // Simulate work
});
Console.WriteLine("Parallel.For has completed.");

اگر این کد را اجرا کنید، خواهید دید که ترتیب چاپ تکرارها تصادفی است و شناسه‌ی نخ‌ها نیز متفاوت است، که نشان می‌دهد تکرارها به صورت موازی بر روی نخ‌های مختلف در حال اجرا هستند.

متد Parallel.ForEach

این متد معادل موازی حلقه‌ی foreach است و یک عملیات را بر روی تمام عناصر یک کالکشن IEnumerable به صورت موازی اجرا می‌کند.

Program.cs

var filesToProcess = new List<string> { "file1.dat", "file2.dat", "file3.dat", "file4.dat" };

// Process each file in the collection in parallel.
Parallel.ForEach(filesToProcess, file =>
{
    Console.WriteLine($"Processing {file} on thread {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    // Simulate processing time
    Thread.Sleep(1000);
});

اجرای موازی چندین عملیات با Parallel.Invoke

اگر چندین عملیات مستقل دارید و می‌خواهید آن‌ها را به صورت موازی اجرا کنید، متد Parallel.Invoke یک راهکار ساده و خوانا ارائه می‌دهد. این متد آرایه‌ای از نمایندگان Action را به عنوان ورودی می‌گیرد، همه‌ی آن‌ها را به صورت موازی شروع کرده و منتظر می‌ماند تا تمام آن‌ها به پایان برسند.

Program.cs

void Task1() { Console.WriteLine("Task 1 is running"); Thread.Sleep(1000); }
void Task2() { Console.WriteLine("Task 2 is running"); Thread.Sleep(1000); }

Parallel.Invoke(
    () => Task1(),
    () => Task2(),
    () => Console.WriteLine("Task 3 is running")
);

Console.WriteLine("All parallel tasks have completed.");