.Net異步編程知多少

時間  2019-11-17
標籤 異步 編程 多少 简体版
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1. 引言

最近在學習Abp框架，發現Abp框架的不少Api都提供了同步異步兩種寫法。異步編程提及來，你們可能都會說異步編程性能好。但好在哪裏，引入了什麼問題，以及如何使用，想必也未必能答的上來。
本身對異步編程也不是很瞭解，今天就以學習的目的，來梳理下同步異步編程的基礎知識，而後再來介紹下如何使用async/await進行異步編程。下圖是一張大綱，具體可查看腦圖分享連接。編程

腦圖摘要

2. 同步異步編程

同步編程是對於單線程來講的，就像咱們編寫的控制檯程序，以main方法爲入口，順序執行咱們編寫的代碼。
異步編程是對於多線程來講的，經過建立不一樣線程來實現多個任務的並行執行。數組

3. 線程

.Net 1.0就發佈了System.Threading，其中提供了許多類型（好比Thread、ThreadStart等）能夠顯示的建立線程。
說到Thread，咱們須要瞭解如下幾個概念：多線程

3.1. 什麼是主線程

每個Windows進程都剛好包含一個用做程序入口點的主線程。進程的入口點建立的第一個線程被稱爲主線程。.Net執行程序（控制檯、Windows Form、Wpf等）使用Main()方法做爲程序入口點。當調用該方法時，主線程被建立。併發

3.2. 什麼是工做者線程

由主線程建立的線程，能夠稱爲工做者線程，用來去執行某項具體的任務。框架

3.3. 什麼是前臺線程

默認狀況下，使用Thread.Start()方法建立的線程都是前臺線程。前臺線程能阻止應用程序的終結，只有全部的前臺線程執行完畢，CLR才能關閉應用程序（即卸載承載的應用程序域）。前臺線程也屬於工做者線程。異步

3.4. 什麼是後臺線程

後臺線程不會影響應用程序的終結，當全部前臺線程執行完畢後，後臺線程不管是否執行完畢，都會被終結。通常後臺線程用來作些可有可無的任務（好比郵箱每隔一段時間就去檢查下郵件，天氣應用每隔一段時間去更新天氣）。後臺線程也屬於工做者線程。async

說了這麼多概念不如來段代碼：異步編程

//主線程入口
 static void Main(string[] args)
 {
     Console.WriteLine("主線程開始！");

     //建立前臺工做線程
     Thread t1 = new Thread(Task1);
     t1.Start();

     //建立後臺工做線程
     Thread t2= new Thread(new ParameterizedThreadStart(Task2));
     t2.IsBackground = true;//設置爲後臺線程
     t2.Start("傳參");
 }

 private static void Task1()
 {
     Thread.Sleep(1000);//模擬耗時操做，睡眠1s
     Console.WriteLine("前臺線程被調用！");
 }

 private static void Task2(object data)
 {
     Thread.Sleep(2000);//模擬耗時操做，睡眠2s
     Console.WriteLine("後臺線程被調用！" + data);
 }

執行發現，【後臺線程被調用】將不會顯示。由於當全部的前臺線程執行完畢後，應用程序就關閉了，不會等待全部的後臺線程執行完畢，因此不會顯示。oop

4. ThreadPool（線程池）

線程池是爲忽然大量爆發的線程設計的，經過有限的幾個固定線程爲大量的操做服務，減小了建立和銷燬線程所需的時間，從而提升效率，這也是線程池的主要好處。
ThreadPool適用於併發運行若干個任務且運行時間不長且互不干擾的場景。
還有一點須要注意，經過線程池建立的任務是後臺任務。性能

舉個例子：

//主線程入口
static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主線程開始！");
    //建立要執行的任務
    WaitCallback workItem = state => Console.WriteLine("當前線程Id爲：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

    //重複調用10次
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(workItem);
    }
    Console.ReadLine();
}

執行結果
從圖中能夠看出，程序並無每次執行任務都建立新的線程，而是循環利用線程池中維護的線程。
若是去掉最後一句Consoler.ReadLine()，會發現程序僅輸出【主線程開始！】就直接退出，從而肯定ThreadPool建立的線程都是後臺線程。

5. System.Threading.Tasks

.Net 4.0引入了System.Threading.Tasks，簡化了咱們進行異步編程的方式，而不用直接與線程和線程池打交道。
System.Threading.Tasks中的類型被稱爲任務並行庫（TPL）。TPL使用CLR線程池（說明使用TPL建立的線程都是後臺線程）自動將應用程序的工做動態分配到可用的CPU中。

5.1. Parallel（數據並行）

數據並行是指使用Parallel.For()或Parallel.ForEach()方法以並行方式對數組或集合中的數據進行迭代。
看怎麼用：

ParallelLoopResult result = Parallel.For(0, 10000, i => {
    Console.WriteLine("{0}, task: {1} , thread: {2}", i, Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
});

5.2. PLINQ（並行LINQ查詢）

爲並行運行而設計的LINQ查詢爲PLINQ。System.Linq命名空間的ParallelEnumerable中包含了一些擴展方法來支持PINQ查詢。
使用舉例：

int[] modThreeIsZero = (from num in source.AsParallel()
                        where num % 3 == 0
                        orderby num descending
                        select num).ToArray();

5.3. Task

Task，字面義，任務。使用Task類能夠輕鬆地在次線程中調用方法。

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主線程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    Task.Factory.StartNew(() => Console.WriteLine("Task對應線程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId));
    Console.ReadLine();
}


能夠看見，使用Task咱們沒必要理會具體線程的建立。
咱們也可使用.NET 4.5引入的Task.Run靜態方法來啓動一個線程。

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主線程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    Task.Run(() => Console.WriteLine("Task對應線程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId));
    Console.ReadLine();
}

Task類提供了Wait()方法，用來等待線程task執行完畢。

5.4. 泛型Task

Task 是Task的泛型版本，能夠接收一個返回值。 

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主線程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    Task<string> task = Task.Run(() =>
    {
        return Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString();
    });
    Console.WriteLine("建立Task對應的線程ID：" + task.Result);

    Console.ReadLine();
}

Task提供了不少方法，幫助咱們進行異步任務。瞭解更多，可參考MSDN。

5.5. async/await 特性

C# async關鍵字用來指定某個方法、Lambda表達式或匿名方法自動以異步的方式來調用。

我們先來看一個具體的示例吧。

private static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主線程啓動，當前線程爲：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    var task = GetLengthAsync();

    Console.WriteLine("回到主線程，當前線程爲：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

    Console.WriteLine("線程[" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + "]睡眠5s:");
    Thread.Sleep(5000); //將主線程睡眠5s

    var timer = new Stopwatch();
    timer.Start(); //開始計算時間

    Console.WriteLine("task的返回值是" + task.Result);

    timer.Stop(); //結束點，另外stopwatch還有Reset方法，能夠重置。
    Console.WriteLine("等待了：" + timer.Elapsed.TotalSeconds + "秒"); //顯示時間

    Console.WriteLine("主線程結束，當前線程爲：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}

private static async Task<int> GetLengthAsync()
{
    Console.WriteLine("GetLengthAsync()開始執行，當前線程爲：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

    var str = await GetStringAsync();

    Console.WriteLine("GetLengthAsync()執行完畢，當前線程爲：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

    return str.Length;
}

private static Task<string> GetStringAsync()
{
    Console.WriteLine("GetStringAsync()開始執行，當前線程爲：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    return Task.Run(() =>
    {
        Console.WriteLine("異步任務開始執行，當前線程爲：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

        Console.WriteLine("線程[" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + "]睡眠10s:");
        Thread.Sleep(10000); //將異步任務線程睡眠10s

        Console.WriteLine("GetStringAsync()執行完畢，當前線程爲：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
        return "GetStringAsync()執行完畢";
    });
}

執行結果

是否是對執行結果感到驚訝？驚訝是對的，且聽咱們下面娓娓道來。

  1. 被async標記的方法，意味着能夠在方法內部使用await，這樣該方法將會在一個await point（等待點）處被掛起，而且在等待的實例完成後該方法被異步喚醒。【注意：await point（等待點）處被掛起，並非說在代碼中使用await SomeMethodAsync()處就掛起，而是在進入SomeMethodAsync()真正執行異步任務時被掛起，切記，切記！！！】
  2. async標記的方法，返回值類型爲void、Task、Task<T>。
  3. 被async標記的方法，方法的執行結果或者任何異常都將直接反映在返回類型中。
  4. 不是被async標記的方法，就會被異步執行，剛開始都是同步開始執行。換句話說，方法被async標記不會影響方法是同步仍是異步的方式完成運行。事實上，async使得方法能被分解成幾個部分，一部分同步運行，一些部分能夠異步的運行（而這些部分正是使用await顯示編碼的部分），從而使得該方法能夠異步的完成。
  5. await關鍵字告訴編譯器在async標記的方法中插入一個可能的掛起/喚醒點。 邏輯上，這意味着當你寫await someMethod();時，編譯器將生成代碼來檢查someMethod()表明的操做是否已經完成。若是已經完成，則從await標記的喚醒點處繼續開始同步執行；若是沒有完成，將爲等待的someMethod()生成一個continue委託，當someMethod()表明的操做完成的時候調用continue委託。這個continue委託將控制權從新返回到async方法對應的await喚醒點處。
    返回到await喚醒點處後，無論等待的someMethod()是否已經經完成，任何結果均可從Task中提取，或者若是someMethod()操做失敗，發生的任何異常隨Task一塊兒返回或返回給SynchronizationContext。

從第4點能夠解釋爲何上面的demo當調用GetLengthAsync();方法時，輸出GetLengthAsync()開始執行，當前線程爲：1。
從第1點能夠解釋調用await GetStringAsync();後，爲何程序會繼續同步執行輸出GetStringAsync()開始執行，當前線程爲：1。
當執行到Task.Run的時候，就回到了主線程，從而輸出回到主線程，當前線程爲：1，這說明Task.Run就是咱們所說的await point（等待點）。緊接着代碼將主線程睡眠5s，這時異步任務可不會歇啊，因此會輸出異步任務開始執行，當前線程爲：3。
緊接着爲了模擬異步任務耗時，咱們在異步任務中調用Thread.Sleep(10000)將異步任務睡眠10s。
一樣異步任務睡眠的時候，不會影響到咱們的同步任務，主線程睡眠5s後，要去輸出task.Result，這時異步任務尚未執行完畢，因此主線程會等待，直到結果返回，當異步任務完成後會輸出GetStringAsync()執行完畢，當前線程爲：3。
從第5點能夠解釋，await等待異步任務完成後，GetLengthAsync()方法被異步喚醒，從而異步執行後續代碼而輸出GetLengthAsync()執行完畢，當前線程爲：3。
代碼中咱們用StopWatch來計算大體等待了多久，從結果看等待了5.0004334秒，符合預期（異步線程睡眠了10s，主線程睡眠了5s，兩個線程是並行運行的，因此大體耗時應該爲10s - 5s = 5s）。

那爲何執行到task.Result時，主線程會等待呢，你可能會說異步任務沒有完成。
那異步任務沒有完成不該該影響主線程的繼續執行啊，那主線程到底是被誰掛起進行等待的呢？
首先Task和Task 是awaitable的，這裏就要理解下awaitable這個概念，詳參 await anything，這裏就再也不贅述（講清楚估計得另開一篇）。
這裏就暫且把awaitable理解爲可等待的，就是說若是這個task沒執行完畢，在去取結果的時候它就會等待。

咱們直接來看一下看下源碼吧：

從代碼中咱們能夠清楚看見，在去取task的返回值時，程序回去判斷對應的任務是否執行完畢（IsCompleted），若沒有則繼續等待，也就是在InternalWait方法中執行等待，而InternalWait方法中指定等待的方式爲TaskWaitBehavior.Synchronous也就是同步等待，因此就會掛起主線程。
其實task.Wait()也是相似的邏輯，會同步阻塞主線程去等待異步線程執行完畢。
那咱們就能夠這樣理解task.Result，task.Result至關於執行task.Wait();後再去取值task.Result;。

6. 總結

本文主要梳理了如下幾點：

  1. 默認建立的Thread是前臺線程，建立的Task爲後臺線程。
  2. ThreadPool建立的線程都是後臺線程。
  3. 任務並行庫（TPL）使用的是線程池技術。
  4. 調用async標記的方法，剛開始是同步執行的，只有當執行到await標記的方法中的異步任務時，纔會掛起。

異步編程的水很深，標題起大了，有不少知識點沒有講全講到。
文章中所寫是我的理解，不免有紕漏之處，請你們以懷疑的精神閱讀此文，也懇請你們多多指教！！！

參考自：
Async/Await FAQ
await anything
Async/Await異步編程中的最佳作法

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