C# Parallel.For 的使用

实验室接了一个新的项目，需要在一块 3d 地形上基于速度绘上颜色，而且要动态改变。由于地形比较大，mesh 网格的顶点一共有一千三百多万个，即使在逻辑上优化之后也达到了一百多万个。使用传统的 for 循环为每个顶点赋颜色值，效率太低，最终的 fps 只能达到 8 左右，完全达不到项目要求。在老师的指导下，开始考虑多线程的方法提高效率。

Parallel.For

在查阅了大量网络资源之后，确定了最简单易行的方法是 C# 本身提供的 Parallel 并行计算方法。

关于 Parallel.For 的语法就不细说了，直接通过下面的代码见识一下并行的威力吧。

using System.Diagnostics;
using System.Threading.Tasks;
using UnityEngine;

public class testParallel : MonoBehaviour
{
    Stopwatch stopWatch = new Stopwatch();
    void Start()
    {
        stopWatch.Start();
        for (int i = 0; i < 10000; i++)
        {
            for (int j = 0; j < 60000; j++)
            {
                int sum = 0;
                sum += i;
            }
        }
        stopWatch.Stop();
        print("NormalFor run" + stopWatch.ElapsedMilliseconds + "ms.");

        stopWatch.Reset();
        stopWatch.Start();
        Parallel.For(0, 10000, item =>
        {
            for (int j = 0; j < 60000; j++)
            {
                int sum = 0;
                sum += item;
            }
        });
        stopWatch.Stop();
        print("ParallelFor run" + stopWatch.ElapsedMilliseconds + "ms.");
    }
}

在 unity 中运行该代码，其结果如下图所示

可以发现，Parallel.For 相较于传统的 for 循环运行时间加快了 1s。而在本次项目中，在使用了 Parallel.For 的情况下，fps 直接达到了 23，这是一个相当大的提升了。

深入思考

在体验到 Parallel.For 的巨大优势之后，我不禁思考：

1. 是不是所有的 Parallel.For 都比传统的 for 循环都快呢?
2. 今后我是不是可以把所有的 for 循环都替换为 Parallel.For 呢?

带着这样的问题，我继续搜索，也发现了使用 Parallel.For 的一些注意事项。

Parallel.For 的快是有前提的

众所周知，在实现多线程时，为了防止多个线程同时处理同一个变量而导致变量处于 "薛定谔状态"，引入了 "锁" 的概念，即在每一时刻只有获得 "锁" 的线程才能操作目标变量。那么如果在 Parallel.For 中也需要操作一个全局变量，就意味着即使这是并行计算，大家也需要排队操作全局变量，此时 Parallel.For 可能远远不如传统的 for 循环来的快。

using System.Collections.Concurrent;
using System.Diagnostics;
using System.Threading.Tasks;
using UnityEngine;

public class testParallel : MonoBehaviour
{
    Stopwatch stopWatch = new Stopwatch();
    void Start()
    {
        var obj = new Object();
        long num = 0;
        ConcurrentBag<long> bag = new ConcurrentBag<long>();

        stopWatch.Start();
        for (int i = 0; i < 10000; i++)
        {
            for (int j = 0; j < 60000; j++)
            {
                num++;
            }
        }
        stopWatch.Stop();
        print("NormalFor run" + stopWatch.ElapsedMilliseconds + "ms.");

        stopWatch.Reset();
        stopWatch.Start();
        Parallel.For(0, 10000, item =>
        {
            for (int j = 0; j < 60000; j++)
            {
                lock (obj)
                {num++;}
            }
        });
        stopWatch.Stop();
        print("ParallelFor run" + stopWatch.ElapsedMilliseconds + "ms.");
    }
}

在 unity 中运行该代码，其结果如下图所示

可以发现，Parallel.For 的运行时间竟然是传统 for 循环运行时间的 100 倍！因此可以得出结论：如果在循环中需要竞争资源，用到线程锁的话，Parallel.For 未必优于传统 for 循环。

Parallel.For 的循环是无序的

由于 Parallel.For 中的各个循环是同时进行的，所以每次循环体执行的时间会有些许差异，这就导致了循环的运行是无序的。

using System.Threading.Tasks;
using UnityEngine;

public class testParallel : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        Parallel.For(0, 5, item =>
        {
            print(item);
        });
    }
}

在 unity 中运行该代码，其结果如下图所示

因此可以得出结论：如果循环的执行顺序需要严格控制的话，则不能使用 Parallel.For。

总结

在计算机多核处理器普及的前提下，合理的使用多线程或者并行能够显著提高软件的运行效率。当然，这一切都是有前提的。滥用多线程往往会适得其反，不仅得不到理想的输出结果，甚至会干扰其他程序的正常运行。在明确了自己的需求的前提下，选择合适的方法才是最重要的。