4.2 任务并行与同步原语

4.2 任务并行与同步原语

本节摘要：异步消除等待，并行增加算力。本节划清两者的分界，讲 Task 的本质与线程池调度、数据并行的三种武器取舍，以及锁、无锁原语与异步锁的适用边界——并发 bug 的根源无一例外是共享可变状态。

先分家：异步与并行是两个问题

上一节结尾提过，这里正面展开。异步解决"一条线程等 IO 白白闲着"的问题：让线程在等待时去干别的，吞吐上升，线程数不涨。并行解决"一段计算太慢"的问题：把计算切成几份同时上多条线程，延迟下降，线程数上升。一个网络服务的高并发靠异步，一个图像处理的高速度靠并行。混淆两者的典型症状是"给 IO 代码套 Parallel.ForEach"——线程翻倍、吞吐不动，因为瓶颈根本不在算力。

Task 是什么：调度的单位

Task 与 Task<T> 是"一件将来完成的工作"的表示对象。两种来路：Task.Run(action) 把 CPU 工作排进线程池队列，返回的代表"那段计算"；异步方法返回的 Task 代表"那个挂起的流程"（4.1 节）。async 关键字不出现在 Task 的创建里，它只是方法的修饰——很多人把 Task.Run 和 async/await 搞混成一件事，机制上它们完全正交：一个管"把活交给线程池"，一个管"挂起恢复"。

// CPU 密集：Task.Run 合理，让调用线程先走
var result = await Task.Run(() => HeavyComputation(data));

// IO 密集：Task.Run 多此一举，库的异步 API 本来就不占线程
var html = await client.GetStringAsync(url);
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第二行包一层 Task.Run 是真实的坏味道：异步 API 内部挂起时不占用线程，再包一层只是多一次调度。判别口诀：CPU 活用 Run，IO 活用库。

数据并行三武器

对一批数据并行处理，三条路线按粒度选择。Parallel.For 与 Parallel.ForEach：一次性把循环并行化，线程池分块执行，阻塞到全部完成——适合程序启动期的批量转换、离线计算：

Parallel.ForEach(images, img => img.ApplyFilter());
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PLINQ：第三章 LINQ 的并行版本，AsParallel 挂进查询链，声明式、能与 LINQ 组合，但分区与合并有固定开销，小数据量反而变慢。手动 Task 加 WhenAll：粒度完全自控，适合"每件工作本身是异步 IO"的场景（并发拉取一百个 URL——4.1 节组合器主场，此时 Parallel.ForEach 反而不合适，它设计给同步体的 CPU 并行）。三条路线的选择本质是：块大且同步用 Parallel，可组合查询用 PLINQ，工作本身异步用 WhenAll。

并行体里的第一诫：不要闭包捕获共享变量做累加。sum += item 在多线程下是"读、加、写"三步，交错执行丢更新，结果随机变小。要么用 Interlocked.Add，要么用各路线的内建聚合（PLINQ 的 Aggregate、Parallel 的 localInit/localFinally 重载）。

共享状态：并发 bug 的唯一根源

并发问题千变万化，根源只有一个：多条线程同时读写同一块可变内存。解法按代价从低到高三层。

第一层，不共享。局部变量天然线程隔离（4.1 节说过局部变量活在状态机/栈里，各副本独立）；不可变对象创建后不改动，共享零风险；线程本地存储给每线程一份副本。能用这层解决的是设计胜利——3.2 节的不可变集合、消息传递式的并发模型都属此列。

第二层，无锁原语。Interlocked 类的原子操作：Increment、CompareExchange 一条 CPU 指令完成读改写，计数器与简单标志位的首选。Volatile 与内存屏障处理可见性：每线程有自己的缓存视图，一条线程的写入另一条未必立刻看见，volatile 读保证拉新。可见性问题出没于"标志位死循环等另一线程置位"这类代码，出了问题现象是"明明赋值了对方却读不到"。

第三层，锁。lock (obj) { ... } 是 C# 的互斥语法糖（编译成 try/finally 包裹 Monitor 的进出），同一时刻只放一条线程进临界区。2.1 节埋的伏笔在此兑现：锁信息就存在对象头的同步块里，所以锁对象必须是引用类型（lock 值类型编译报错）。用法纪律：锁私有专用对象（别锁 this、别锁 string——第一章讲过字面量全程序共享，锁它等于和陌生人共用一把锁）；临界区尽量小（锁内别做 IO、别再进别的锁——两条锁交叉就是死锁的配方）；顺序一致的加锁纪律可以整套杜绝死锁。

private readonly object _gate = new();
public void Enqueue(Job j)
{
    lock (_gate) { _queue.Add(j); }     // 进、改、出，三行以内
}
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异步世界里的锁要换型号：lock 语句块里不能 await（编译器直接禁止——锁会被带过挂起点，恢复线程换了人，锁的释放就没有着落）。跨 await 保护共享资源用 SemaphoreSlim 的 WaitAsync：

private readonly SemaphoreSlim _gate = new(1, 1);
public async Task WriteAsync(byte[] data)
{
    await _gate.WaitAsync();
    try { await _stream.WriteAsync(data); }
    finally { _gate.Release(); }
}
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结构是 async 版的 lock：异步获取、try/finally 释放，挂起期间信号量替你看门。

⚠️ 常见坑的机制注解：偶发计数变少是读改写交错（用 Interlocked）；标志位死等是缓存可见性（用 volatile 或信号原语）；偶发卡死是锁顺序交叉（画一张"谁等谁"的有向图找环）；并发集合损坏是 3.2 节的老话题（换 Concurrent 家族）。

本节要点回顾

• 异步增吞吐、并行降延迟：IO 瓶颈用异步，算力瓶颈用并行，别用错药方；
• Task.Run 给 CPU 活，IO 活直接用库的异步 API；
• 数据并行三选：同步大块 Parallel、可组合 PLINQ、异步工作 WhenAll；
• 共享可变状态是万恶之源：三层解法——不共享、原子操作、锁，从低往高选；
• lock 里禁 await：跨挂起点的互斥交给 SemaphoreSlim 的异步等待。

最后一节进入内存本身：GC 分代模型与分配优化，为全部性能话题收口。