.NET 4.0 進階 (5)：C# 4.0 平行運算完整實戰 — Parallel、Task、PLINQ

.NET 4 引入 System.Threading.Tasks 命名空間，提供高階平行程式設計抽象，讓開發者專注業務邏輯而非執行緒管理細節。

核心 API 概覽

實戰範例與效能對比

模擬工作：`Thread.Sleep(100ms)` × 20 次。循序耗時 ≈ 2000 ms。

1. Parallel.For

var sw = Stopwatch.StartNew();
Parallel.For(0, 20, i => SimulateWork(i));
Console.WriteLine($"Parallel.For: {sw.ElapsedMilliseconds} ms");
// 輸出順序非決定性，耗時 ~300 ms (視核心數)

2. Parallel.ForEach

var data = Enumerable.Range(0, 20).ToList();
sw.Restart();
Parallel.ForEach(data, item => SimulateWork(item));
Console.WriteLine($"Parallel.ForEach: {sw.ElapsedMilliseconds} ms");
// 耗時 ~600 ms (含集合分區開銷)

3. Parallel.Invoke — 多任務並發

sw.Restart();
Parallel.Invoke(
    () => Task1(),
    () => Task2(),
    () => Task3()
);
Console.WriteLine($"Parallel.Invoke: {sw.ElapsedMilliseconds} ms");
// 三個 3 秒任務並行，總耗時 ~3 秒 (而非 9 秒)

4. Task 進階：取消權杖、延續、平行度控制

var cts = new CancellationTokenSource();
var opts = new ParallelOptions {
    CancellationToken = cts.Token,
    MaxDegreeOfParallelism = 10 // 限制最大併發數
};

// 背景任務 3.5 秒後觸發取消
Task.Factory.StartNew(() => {
    Thread.Sleep(3500);
    cts.Cancel();
    Console.WriteLine("Cancel triggered");
});

Parallel.Invoke(opts,
    () => LongRunningTask(cts.Token, "Task1"),
    () => LongRunningTask(cts.Token, "Task2")
);

void LongRunningTask(CancellationToken token, string name) {
    while (!token.IsCancellationRequested) {
        Console.WriteLine($"{name} - Thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
        Thread.Sleep(1000);
    }
}

5. PLINQ — 宣告式平行查詢

var numbers = Enumerable.Range(0, 100).ToList();

// 平行 + 保序
var multiplesOf10 = numbers.AsParallel().AsOrdered()
    .Where(n => n % 10 == 0)
    .ToList();

// 平行聚合
double avg = numbers.AsParallel().Average();

// 自訂平行聚合 (Map-Reduce 模式)
double customAvg = numbers.AsParallel().Aggregate(
    seed: 0d,
    // 每分區局部累加
    (localSum, item) => localSum + item,
    // 分區結果合併
    (total, local) => total + local,
    // 最終結果轉換
    final => final / numbers.Count
);

Console.WriteLine($"Average: {avg}, Custom: {customAvg}"); // 皆為 49.5

關鍵進階主題

• AsOrdered() vs AsUnordered()： 保序有排序開銷，不需順序時用 `AsUnordered()` 更快。
• WithDegreeOfParallelism(n)： 覆寫預設排程器併發數。
• WithCancellation(token)： 整合取消權杖。
• 例外處理： `Parallel` 會彙總所有例外包裝為 `AggregateException`，需 `catch (AggregateException ae) { ae.Flatten().Handle(...) }`。
• ThreadLocal<T>： 執行緒區域儲存，避免共享狀態競爭。

官方範例專案

Parallel Extensions Samples (MSDN) — 涵蓋進階排程、自訂分區、取消、進度報告等完整範例。