C#代替go採用的CSP並行模型實現

2022-04-01 19:02:18

說起Golang（後面統稱為Go），就想到他的高並行特性，在深入一些就是 Goroutine。在大家被它優雅的語法和簡潔的程式碼實現的高並行程式所折服時，其實C#/.NET也可以很容易的做到。今天我們來參照Go，來用C#實現它所採用的的CSP並行模型。

CSP（Communicating sequential processes）

這東西我一開始以為很簡單，後面差了資料發現它獨樹一幟，自己是一門語言，也是一套理論。這邊我不深入的對它做過多的見解，我怕耽誤大家=_=，大家可以看看wiki。

wiki：https://en.wikipedia.org/wiki/Communicating_sequential_processes

我們從Go的角度對它進行一些分析，摘抄一段概要：

“用於描述兩個獨立的並行實體通過共用的通訊 channel(管道)進行通訊的並行模型。 CSP中channel是第一類物件，它不關注傳送訊息的實體，而關注與傳送訊息時使用的channel。”

好了，單獨寫出 CSP 是為了讓大家瞭解這是一套獨立於語言的東西，大家有興趣可以檢視wiki和搜尋一些其它資料。

在Go中的CSP

Channel（通道）

Goroutine（不知道怎麼翻譯，大家可以理解成一個“工作者”，不是工作者執行緒。本質是實現了協程。）

協程（提升並行的利器）

大家都很明白執行緒能做什麼，但協程是個什麼東西？比起執行緒又如何呢？

執行緒

我們重新思考一些東西。

CPU：核心、超執行緒

OS：執行緒

程式語言：執行緒池

這邊不做細講，只是大概點到一下。

我們所做的任何計算都要經由CPU計算，而CPU的核數直接決定了我們能給CPU執行幾件事情。

我們現在所常用的OS內部都有一個輪詢，用時間片的形式來分配任何輪流使用CPU執行計算，執行緒就是這些任務的載體。

這塊的概念非常龐大（還有牽扯到，什麼是並行，什麼事並行），本文的重點不是這些，大家有興趣後面可以單獨開一篇文章來解釋這塊的內容。

迴歸本文，現在我們知道執行緒是作業系統級別用來共用CPU的一種技術實現，多執行緒程式設計早在各大語言遍地開花，被用的惟妙惟肖，百花齊放。

那麼為什麼需要協程呢？

執行緒的開銷

這塊又是一個大知識點，這邊也不多做介紹。

大家只要明白，執行緒並不是廉價的，一個執行緒的創立有至少兩點的開銷

記憶體
排程器壓力（執行緒上下文切換等）

執行緒是可以持有邏輯資料的（比如，HttpContext.Current，等物件）所以必定是佔用記憶體的（至於佔用了多少記憶體不同的語言和OS不一樣）

如果一個CPU是4核的，同時就只能處理4件任務，一個OS的執行緒越多他們輪訓一整圈所耗的時間就更長。而每次排程執行緒時都需要複製當前執行緒上下文的狀態，再去讀取準備排程執行緒上下文的狀態。

這邊可以看到最後一點，有時候多執行緒反而會比單執行緒更加的慢，所以多執行緒提升效能本質上其實是假的。多執行緒並不會提升程式效能。

我知道這邊肯定有人會心存疑問，絕大數的人都說用多執行緒來提升效能，為什麼這邊說多執行緒會比單執行緒慢？

我們這邊想一下：PHP 和 NodeJS，PHP預設不支援多執行緒，NodeJS採用單執行緒事件輪詢，他們的效率比擁有多執行緒的語言低嗎？並不會。

多執行緒之所以快是因為作弊，別人一個人乾的事情你叫兩個人去幹當然會比單執行緒快。這也有非常大的限制，多執行緒所執行的東西儘可能避免共用，不然你的效率還是可能不如單執行緒。

這邊說的有點跑題，這塊的內容實在太大，大家只要知道，執行緒即使不昂貴也絕不廉價。

針對這個問題，各大語言都推出了一個叫做執行緒池的技術，我申請一批執行緒，持有他，等到有任務的時候直接使用，這樣我就不會頻繁的建立和銷燬執行緒了。這樣大大提升了效率。

在.NET中，很早就提倡任何需要執行緒的時刻都使用 ThreadPool。

ps:現在覺大多數（我還沒見過）的語言（runtime）中，執行緒與作業系統的執行緒是一一對應的。

迴歸協程

協程與執行緒是多對一的關係，有多個協程會對應到一根執行緒上。跟執行緒和CPU是一樣的關係。

執行緒是為了共用CPU，而協程是為了共用執行緒。

協程是應用層面的自有“執行緒”實現。也就是說在不改變OS的執行緒邏輯下，自己構建了一套 “執行緒”系統。

為什麼不直接改動OS的執行緒，讓其更輕？我個人覺得 1是歷史相容性問題，2是必要性問題，執行緒是一個很好的抽象邏輯。實現協程完全可以通過執行緒來完成。

協程的目的

我們來思考一個場景

抓取百度、google、bing的html。

多執行緒的做法是

啟動三個執行緒，分別對百度、google、bing發起HTTP GET請求。這時候使用了三個執行緒。

協程的做法是（極端）

啟動一個執行緒對百度發起HTTP GET請求，將任務放入佇列，在對google發起HTTP GET請求，將任務放入佇列，在對bingHTTP GET請求將任務放入佇列。

這時候只需要使用一個執行緒（極端情況下，其實大多數實現來說至少需要兩個執行緒，因為需要有一個後臺執行緒去監聽任務佇列，當任務完成後再分配一個可用執行緒去處理下面的邏輯）

為什麼說極端情況下？因為協程有時候也可能會與執行緒一一對應，比如你的CPU有8個核心，同時跑4個協程也有可能會分配4根執行緒單獨去處理這4個任務，這主要取決於排程演演算法。

總結：協程是為了提升執行緒利用率，減少執行緒的無用功（大多數是IO堵塞），協程也更適合IO密集型的場景。

C#中的協程

可以看到，3個任務是非同步執行的，但都由執行緒4來處理，也就是說三個非同步任務只用了一根執行緒。

C#中的CSP

講了這麼大篇幅的協程，終於迴歸了今天的主題。

其實單單實現CSP來說根本不用理清執行緒和協程。但今天主要對比的是Go中的CSP，所以如果沒有協程基本是沒有意義的。

C#如何對應，CSP中最重要的Channel呢？

答案就是：BlockingCollection<T>

我們來看一個例子

抓取一批網站並輸出網站的title

發起 HTTP GET 請求和分析Title的程式碼邏輯如下：

主程式的程式碼如下：

執行邏輯

啟用一個生產者協程來根據url生產對應的html、同時使用主執行緒消費佇列內的內容（非同步）
每個url單獨起一個協程來發起HTTP GET請求
生產者協程等待所有url的html全部載入完成
標誌佇列完成
主執行緒退出

執行結果如下：

Go協程與.NET協程的區別？

去除實現上的一些邏輯，本質上沒太多區別。

但Go有一個天生優勢就是它是新時代的語言，拋棄了執行緒。也就是說Go層面沒有執行緒的東西，它只有協程。

但.NET中執行緒已經擁有了好多年，大量的類庫、驅動使用執行緒來完成。

所以你在上一層就算使用了協程，執行到底部不一定只有一根執行緒來完成，底部可以自己建立執行緒來執行邏輯，今天篇幅關係不做過多說明。後面我們在介紹這塊的內容。

寫在最後

最後總結一個要點，多執行緒、協程並不能提升效能，它們所達到的目的只是提高CPU利用率。

今天本來想詳細寫BlockingCollection<T>的使用說明，但協程等概念佔了大量的篇幅，後面我們再來詳細介紹.NET中的非同步程式設計。

以上就是C#代替go採用的CSP並行模型實現的詳細內容，更多關於C#實現go採用CSP並行模型的資料請關注it145.com其它相關文章！