平行容器和物件
平行模式程式庫 (PPL) 包含數個容器和物件,這些容器和物件提供對其項目的執行緒安全存取。
「並行容器」(Concurrent Container) 提供對最重要作業的並行安全存取。 這些容器的功能與標準範本程式庫 (STL) 所提供的容器類似。 例如,Concurrency::concurrent_vector 類別與 std::vector 類別類似,不同之處在於 concurrent_vector 類別可讓您平行附加項目。 當您的平行程式碼需要同時對相同容器進行讀取和寫入存取時,請使用並行容器。
「並行物件」(Concurrent Object) 是各元件並行共用的物件。 以平行方式計算並行物件的狀態,會產生與以循序方式計算該並行物件的狀態相同的結果。 Concurrency::combinable 類別是並行物件型別的一個範例。 combinable 類別可讓您平行執行計算,然後再將這些計算結合成最終的結果。 並行物件可以做為替代方案,來替代使用同步處理機制 (例如 Mutex) 同步處理對共用變數或資源的存取。
章節
本主題詳述下列平行容器和物件。
並行容器:
concurrent_vector 類別
concurrent_queue 類別
並行物件:
- combinable 類別
concurrent_vector 類別
Concurrency::concurrent_vector 類別是序列容器類別,就像 std::vector 類別一樣,它可讓您隨機存取其項目。 concurrent_vector 類別啟用並行安全的附加和項目存取作業。 附加作業並不會讓現有指標或 Iterator 失效。 Iterator 存取和周遊作業也是並行安全的。
concurrent_vector 與 vector 之間的差異
concurrent_vector 類別與 vector 類別類似。 concurrent_vector 物件上附加、項目存取和 Iterator 存取作業的複雜度與 vector 物件是相同的。 下列各點說明 concurrent_vector 與 vector 的差異:
concurrent_vector 物件上的附加、項目存取、Iterator 存取和 Iterator 周遊作業是並行安全的。
您只能將項目加至 concurrent_vector 物件的結尾。 concurrent_vector 類別未提供 insert 方法。
當您在 concurrent_vector 物件中附加項目時,這個物件並不會使用移動語意。
concurrent_vector 類別未提供 erase 或 pop_back 方法。 如同 vector,請使用 clear 方法移除 concurrent_vector 物件中的所有項目。
concurrent_vector 類別不會將自己的項目連續儲存在記憶體中。 因此,您無法完全像使用陣列一樣地使用 concurrent_vector 類別。 例如,針對型別為 concurrent_vector 的變數 v,運算式 &v[0]+2 會產生未定義的行為。
concurrent_vector 類別會定義 grow_by 和 grow_to_at_least 方法。 這些方法與 resize 方法類似,不同之處在於它們是並行安全的。
當您在 concurrent_vector 物件中附加項目或變更物件的大小時,這個物件並不會更動其內項目的位置。 這可讓現有指標和 Iterator 在並行作業期間一直保持有效。
執行階段不會針對 bool 型別定義專門的 concurrent_vector 版本。
並行安全的作業
所有方法在 concurrent_vector 物件中附加項目或是增加物件大小,或者是存取 concurrent_vector 物件中的項目時,都是並行安全的。 這項規則的例外是 resize 方法。
下表顯示常見並行安全的 concurrent_vector 方法和運算子。
執行階段基於與 STL 相容的因素而提供的作業 (例如 reserve) 並不是並行安全的。 下表顯示常見不是並行安全的方法和運算子。
修改現有項目值的作業並不是並行安全的。 若要同步處理對相同資料項目的並行讀取和寫入作業,請使用同步處理物件 (例如 reader_writer_lock 物件)。 如需同步處理物件的詳細資訊,請參閱同步處理資料結構。
當您將使用 vector 的現有程式碼轉換為使用 concurrent_vector 時,並行作業可能會變更您應用程式的行為。 例如,下列範例會在 concurrent_vector 物件上並行執行兩個工作。 第一個工作會將其他項目附加至 concurrent_vector 物件。 第二個工作會計算同一個物件中所有項目的總和。
// parallel-vector-sum.cpp
// compile with: /EHsc
#include <ppl.h>
#include <concurrent_vector.h>
#include <iostream>
using namespace Concurrency;
using namespace std;
int wmain()
{
// Create a concurrent_vector object that contains a few
// initial elements.
concurrent_vector<int> v;
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
// Perform two tasks in parallel.
// The first task appends additional elements to the concurrent_vector object.
// The second task computes the sum of all elements in the same object.
parallel_invoke(
[&v] {
for(int i = 0; i < 10000; ++i)
{
v.push_back(i);
}
},
[&v] {
combinable<int> sums;
for(auto i = v.begin(); i != v.end(); ++i)
{
sums.local() += *i;
}
wcout << L"sum = " << sums.combine(plus<int>()) << endl;
}
);
}
雖然 end 方法是並行安全的,但是並行呼叫 push_back 方法會變更 end 所傳回的值。 Iterator 會周遊的項目數是不一定的。 因此,每次執行時這個程式都會產生不同的結果。
例外狀況安全
如果成長或指派作業擲回例外狀況,則 concurrent_vector 物件的狀態會變無效。 除非另有陳述,否則處於無效狀態之 concurrent_vector 物件的行為會是未定義的行為。 不過,解構函式一定會釋出物件所配置的記憶體,即使物件處於無效狀態也是一樣。
vector 項目的資料型別 _Ty 必須符合下列需求。 否則,concurrent_vector 類別的行為會是未定義的行為。
解構函式不得擲回例外狀況。
如果預設或複製建構函式擲回例外狀況,則不得以 virtual 關鍵字宣告解構函式,而且解構函式必須能夠與以零初始化的記憶體正常互動。
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concurrent_queue 類別
Concurrency::concurrent_queue 類別就像 std::queue 類別一樣,可讓您存取其 front 和 back 項目。 concurrent_queue 類別啟用並行安全的加入佇列和清除佇列作業。 concurrent_queue 類別也提供不是並行安全的 Iterator 支援。
concurrent_queue 與 queue 之間的差異
concurrent_queue 類別與 queue 類別類似。 下列各點說明 concurrent_queue 與 queue 的差異:
concurrent_queue 物件上的加入佇列和清除佇列作業是並行安全的。
concurrent_queue 類別則提供不是並行安全的 Iterator 支援。
concurrent_queue 類別未提供 front 或 pop 方法。 concurrent_queue 類別會定義 try_pop 方法,藉以取代這些方法。
concurrent_queue 類別未提供 back 方法。 因此,您無法參考佇列的結尾。
concurrent_queue 類別提供 unsafe_size 方法,而非 size 方法。 unsafe_size 方法不是並行安全的。
並行安全的作業
所有在 concurrent_queue 物件中加入佇入或清除佇列的方法都是並行安全的。
下表顯示常見並行安全的 concurrent_queue 方法和運算子。
雖然 empty 方法是並行安全的,但是並行作業可能會造成佇列在 empty 方法傳回之前就變大或變小。
下表顯示常見不是並行安全的方法和運算子。
Iterator 支援
concurrent_queue 提供不是並行安全的 Iterator。 建議您只將這些 Iterator 用來進行偵錯。
concurrent_queue Iterator 只會以前進方向周遊項目。 下表顯示每個 Iterator 所支援的運算子。
運算子 |
說明 |
---|---|
前進至佇列中的下一個項目。 這個運算子使用多載,來提供遞增前和遞增後的語意。 |
|
擷取目前項目的參考。 |
|
擷取目前項目的指標。 |
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combinable 類別
Concurrency::combinable 類別提供可重複使用的執行緒區域儲存區,可讓您執行細部計算,然後將這些計算合併成最終的結果。 您可以將 combinable 物件視為削減變數。
當您的資源會供數個執行緒或工作共用時,combinable 類別會很有用。 combinable 類別可藉由以無法鎖定的方式提供對共用資源的存取,協助您消除共用狀態。 因此,這個類別提供另一種替代方式,來替代使用同步處理機制 (例如 Mutex) 同步處理多個執行緒對共用資料的存取。
方法和功能
下表顯示 combinable 類別的一些重要方法。 如需所有 combinable 類別方法的詳細資訊,請參閱 combinable 類別。
方法 |
說明 |
---|---|
擷取與目前執行緒內容相關聯之區域變數的參考。 |
|
移除 combinable 物件中的所有執行緒區域變數。 |
|
使用提供的 combine 函式,從一組全部都是在執行緒區域執行的計算來產生最終的值。 |
combinable 類別是在最終合併結果上參數化的範本類別。 如果您呼叫預設建構函式,則 _Ty 範本參數型別必須要有預設建構函式和複製建構函式。 如果 _Ty 範本參數型別沒有預設建構函式,請呼叫以初始設定函式為參數的建構函式多載版本。
呼叫 combine 或 combine_each 方法之後,您就可以在 combinable 物件中儲存額外的資料。 您也可以多次呼叫 combine 和 combine_each 方法。 如果 combinable 物件中的區域數值未變更,則每次呼叫 combine 和 combine_each 方法都會產生相同的結果。
範例
如需如何使用 combinable 類別的範例,請參閱下列主題:
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