【轉】C#異步的世界【上】

【轉】C#異步的世界【上】

新進階的程序員可能對async、await用得比較多，卻對以前的異步瞭解甚少。本人就是此類，所以打算回顧學習下異步的進化史。 

本文主要是回顧async異步模式以前的異步，下篇文章再來重點分析async異步模式。

APM

APM 異步編程模型，Asynchronous Programming Model

早在C#1的時候就有了APM。雖然不是很熟悉，可是多少仍是見過的。就是那些類是BeginXXX和EndXXX的方法，且BeginXXX返回值是IAsyncResult接口。

在正式寫APM示例以前咱們先給出一段同步代碼：

//一、同步方法
private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{          
    Debug.WriteLine("【Debug】線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

    var request = WebRequest.Create("https://github.com/");//爲了更好的演示效果，咱們使用網速比較慢的外網
    request.GetResponse();//發送請求    

    Debug.WriteLine("【Debug】線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    label1.Text = "執行完畢！";
}

【說明】爲了更好的演示異步效果，這裏咱們使用winform程序來作示例。（由於winform始終都須要UI線程渲染界面，若是被UI線程佔用則會出現「假死」狀態）

【效果圖】

看圖得知：

• 咱們在執行方法的時候頁面出現了「假死」，拖不動了。
• 咱們看到打印結果，方法調用前和調用後線程ID都是9（也就是同一個線程）

下面咱們再來演示對應的異步方法：（BeginGetResponse、EndGetResponse所謂的APM異步模型）

private void button2_Click(object sender, EventArgs e)
{
    //一、APM 異步編程模型，Asynchronous Programming Model
    //C#1[基於IAsyncResult接口實現BeginXXX和EndXXX的方法]             
    Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

    var request = WebRequest.Create("https://github.com/");
    request.BeginGetResponse(new AsyncCallback(t =>//執行完成後的回調
    {
        var response = request.EndGetResponse(t);
        var stream = response.GetResponseStream();//獲取返回數據流 

        using (StreamReader reader = new StreamReader(stream))
        {
            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            while (!reader.EndOfStream)
            {
                var content = reader.ReadLine();
                sb.Append(content);
            }
            Debug.WriteLine("【Debug】" + sb.ToString().Trim().Substring(0, 100) + "...");//只取返回內容的前100個字符 
            Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            label1.Invoke((Action)(() => { label1.Text = "執行完畢！"; }));//這裏跨線程訪問UI須要作處理
        }
    }), null);

    Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); 
}

【效果圖】

 

看圖得知：

• 啓用異步方法並無是UI界面卡死
• 異步方法啓動了另一個ID爲12的線程

上面代碼執行順序：

前面咱們說過，APM的BebinXXX必須返回IAsyncResult接口。那麼接下來咱們分析IAsyncResult接口：

首先咱們看：

確實返回的是IAsyncResult接口。那IAsyncResult到底長的什麼樣子？：

並無想象中的那麼複雜嘛。咱們是否能夠嘗試這實現這個接口，而後顯示本身的異步方法呢？

首先定一個類MyWebRequest，而後繼承IAsyncResult：（下面是基本的僞代碼實現）

public class MyWebRequest : IAsyncResult
{
    public object AsyncState
    {
        get { throw new NotImplementedException(); }
    }

    public WaitHandle AsyncWaitHandle
    {
        get { throw new NotImplementedException(); }
    }

    public bool CompletedSynchronously
    {
        get { throw new NotImplementedException(); }
    }

    public bool IsCompleted
    {
        get { throw new NotImplementedException(); }
    }
}

這樣確定是不能用的，起碼也得有個存回調函數的屬性吧，下面咱們稍微改造下：

而後咱們能夠自定義APM異步模型了：（成對的Begin、End）

public IAsyncResult MyBeginXX(AsyncCallback callback)
{
    var asyncResult = new MyWebRequest(callback, null);
    var request = WebRequest.Create("https://github.com/");
    new Thread(() =>  //從新啓用一個線程
    {
        using (StreamReader sr = new StreamReader(request.GetResponse().GetResponseStream()))
        {
            var str = sr.ReadToEnd();
            asyncResult.SetComplete(str);//設置異步結果
        }

    }).Start();
    return asyncResult;//返回一個IAsyncResult
}

public string MyEndXX(IAsyncResult asyncResult)
{
    MyWebRequest result = asyncResult as MyWebRequest;
    return result.Result;
}

調用以下:

 private void button4_Click(object sender, EventArgs e)
 {
     Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
     MyBeginXX(new AsyncCallback(t =>
     {
         var result = MyEndXX(t);
         Debug.WriteLine("【Debug】" + result.Trim().Substring(0, 100) + "...");
         Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
     }));
     Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
 }

效果圖：

咱們看到本身實現的效果基本上和系統提供的差很少。

• 啓用異步方法並無是UI界面卡死
• 異步方法啓動了另一個ID爲11的線程

【總結】

我的以爲APM異步模式就是啓用另一個線程執行耗時任務，而後經過回調函數執行後續操做。

APM還能夠經過其餘方式獲取值，如：

while (!asyncResult.IsCompleted)//循環，直到異步執行完成 (輪詢方式)
{
    Thread.Sleep(100);
}
var stream2 = request.EndGetResponse(asyncResult).GetResponseStream();

或

asyncResult.AsyncWaitHandle.WaitOne();//阻止線程，直到異步完成 （阻塞等待） var stream2 = request.EndGetResponse(asyncResult).GetResponseStream();

 

補充：若是是普通方法，咱們也能夠經過委託異步：（BeginInvoke、EndInvoke）

 public void MyAction()
 {
     var func = new Func<string, string>(t =>
     {
         Thread.Sleep(2000);
         return "name:" + t + DateTime.Now.ToString();
     });
 
     var asyncResult = func.BeginInvoke("張三", t =>
     {
         string str = func.EndInvoke(t);
         Debug.WriteLine(str);
     }, null); 
 }

EAP

EAP 基於事件的異步模式，Event-based Asynchronous Pattern

此模式在C#2的時候隨之而來。

先來看個EAP的例子：

 private void button3_Click(object sender, EventArgs e)
 {            
     Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

     BackgroundWorker worker = new BackgroundWorker();
     worker.DoWork += new DoWorkEventHandler((s1, s2) =>
     {
         Thread.Sleep(2000);
         Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
     });//註冊事件來實現異步
     worker.RunWorkerAsync(this);
     Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
 }

 

【效果圖】（一樣不會阻塞UI界面）

【特徵】

• 經過事件的方式註冊回調函數
• 經過 XXXAsync方法來執行異步調用

例子很簡單，可是和APM模式相比，是否是沒有那麼清晰透明。爲何能夠這樣實現？事件的註冊是在幹嗎？爲何執行RunWorkerAsync會觸發註冊的函數？

感受本身又想多了...

咱們試着反編譯看看源碼：

 只想說，這麼玩，有意思嗎？

TAP

TAP 基於任務的異步模式，Task-based Asynchronous Pattern

到目前爲止，咱們以爲上面的APM、EAP異步模式好用嗎？好像沒有發現什麼問題。再仔細想一想...若是咱們有多個異步方法須要按前後順序執行，而且須要(在主進程)獲得全部返回值。

首先定義三個委託：

public Func<string, string> func1()
{
    return new Func<string, string>(t =>
    {
        Thread.Sleep(2000);
        return "name:" + t;
    });
}
public Func<string, string> func2()
{
    return new Func<string, string>(t =>
    {
        Thread.Sleep(2000);
        return "age:" + t;
    });
}
public Func<string, string> func3()
{
    return new Func<string, string>(t =>
    {
        Thread.Sleep(2000);
        return "sex:" + t;
    });
}

而後按照必定順序執行：

public void MyAction()
{
    string str1 = string.Empty, str2 = string.Empty, str3 = string.Empty;
    IAsyncResult asyncResult1 = null, asyncResult2 = null, asyncResult3 = null;
    asyncResult1 = func1().BeginInvoke("張三", t =>
    {
        str1 = func1().EndInvoke(t);
        Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
        asyncResult2 = func2().BeginInvoke("26", a =>
        {
            str2 = func2().EndInvoke(a);
            Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            asyncResult3 = func3().BeginInvoke("男", s =>
            {
                str3 = func3().EndInvoke(s);
                Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            }, null);
        }, null);
    }, null);

    asyncResult1.AsyncWaitHandle.WaitOne();
    asyncResult2.AsyncWaitHandle.WaitOne();
    asyncResult3.AsyncWaitHandle.WaitOne();
    Debug.WriteLine(str1 + str2 + str3);
} 

除了難看、難讀一點好像也沒什麼 。不過真的是這樣嗎？

asyncResult2是null?
因而可知在完成第一個異步操做以前沒有對asyncResult2進行賦值，asyncResult2執行異步等待的時候報異常。那麼如此咱們就沒法控制三個異步函數，按照必定順序執行完成後再拿到返回值。（理論上仍是有其餘辦法的，只是會然代碼更加複雜）

 

是的，如今該咱們的TAP登場了。

只須要調用Task類的靜態方法Run，便可輕輕鬆鬆使用異步。

獲取返回值：

var task1 = Task<string>.Run(() =>
{
    Thread.Sleep(1500);
    Console.WriteLine("【Debug】task1 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    return "張三";
});
//其餘邏輯            
task1.Wait();
var value = task1.Result;//獲取返回值
Console.WriteLine("【Debug】主 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

如今咱們處理上面多個異步按序執行：

Console.WriteLine("【Debug】主 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
string str1 = string.Empty, str2 = string.Empty, str3 = string.Empty;
var task1 = Task.Run(() =>
{
    Thread.Sleep(500);
    str1 = "姓名：張三,";
    Console.WriteLine("【Debug】task1 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}).ContinueWith(t =>
{
    Thread.Sleep(500);
    str2 = "年齡：25,";
    Console.WriteLine("【Debug】task2 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}).ContinueWith(t =>
{
    Thread.Sleep(500);
    str3 = "愛好：妹子";
    Console.WriteLine("【Debug】task3 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
});

Thread.Sleep(2500);//其餘邏輯代碼

task1.Wait();

Debug.WriteLine(str1 + str2 + str3);
Console.WriteLine("【Debug】主 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

[效果圖]

咱們看到，結果都獲得了，且是異步按序執行的。且代碼的邏輯思路很是清晰。若是你感覺還不是很大，那麼你現象若是是100個異步方法須要異步按序執行呢？用APM的異步回調，那至少也得異步回調嵌套100次。那代碼的複雜度可想而知。

 

延伸思考

• WaitOne完成等待的原理

• 異步爲何會提高性能

• 線程的使用數量和CPU的使用率有必然的聯繫嗎

 

問題1：WaitOne完成等待的原理

在此以前，咱們先來簡單的瞭解下多線程信號控制AutoResetEvent類。

var _asyncWaitHandle = new AutoResetEvent(false);
_asyncWaitHandle.WaitOne();

此代碼會在 WaitOne 的地方會一直等待下去。除非有另一個線程執行 AutoResetEvent 的set方法。

var _asyncWaitHandle = new AutoResetEvent(false);
_asyncWaitHandle.Set();
_asyncWaitHandle.WaitOne();

如此，到了 WaitOne 就能夠直接執行下去。沒有有任何等待。

如今咱們對APM 異步編程模型中的 WaitOne 等待是否是知道了點什麼呢。咱們回頭來實現以前自定義異步方法的異步等待。

public class MyWebRequest : IAsyncResult
{
    //異步回調函數（委託）
    private AsyncCallback _asyncCallback;
    private AutoResetEvent _asyncWaitHandle;
    public MyWebRequest(AsyncCallback asyncCallback, object state)
    {
        _asyncCallback = asyncCallback;
        _asyncWaitHandle = new AutoResetEvent(false);
    }
    //設置結果
    public void SetComplete(string result)
    {
        Result = result;
        IsCompleted = true;
        _asyncWaitHandle.Set(); if (_asyncCallback != null)
        {
            _asyncCallback(this);
        }
    }
    //異步請求返回值
    public string Result { get; set; }
    //獲取用戶定義的對象，它限定或包含關於異步操做的信息。
    public object AsyncState
    {
        get { throw new NotImplementedException(); }
    }
    // 獲取用於等待異步操做完成的 System.Threading.WaitHandle。
    public WaitHandle AsyncWaitHandle
    {
        //get { throw new NotImplementedException(); }

        get { return _asyncWaitHandle; }
    }
    //獲取一個值，該值指示異步操做是否同步完成。
    public bool CompletedSynchronously
    {
        get { throw new NotImplementedException(); }
    }
    //獲取一個值，該值指示異步操做是否已完成。
    public bool IsCompleted
    {
        get;
        private set;
    }
}

紅色代碼就是新增的異步等待。

【執行步驟】

 

問題2：異步爲何會提高性能

好比同步代碼：

Thread.Sleep(10000);//假設這是個訪問數據庫的方法
Thread.Sleep(10000);//假設這是個訪問FQ網站的方法

這個代碼須要20秒。

若是是異步：

var task = Task.Run(() =>
{
    Thread.Sleep(10000);//假設這是個訪問數據庫的方法
});
Thread.Sleep(10000);//假設這是個訪問FQ網站的方法
task.Wait();

如此就只要10秒了。這樣就節約了10秒。

若是是：

var task = Task.Run(() =>
{
    Thread.Sleep(10000);//假設這是個訪問數據庫的方法
}); 
task.Wait();

異步執行中間沒有耗時的代碼那麼這樣的異步將是沒有意思的。

或者：

var task = Task.Run(() =>
{
    Thread.Sleep(10000);//假設這是個訪問數據庫的方法
}); 
task.Wait();
Thread.Sleep(10000);//假設這是個訪問FQ網站的方法

把耗時任務放在異步等待後，那這樣的代碼也是不會有性能提高的。

還有一種狀況：

若是是單核CPU進行高密集運算操做，那麼異步也是沒有意義的。(由於運算是很是耗CPU,而網絡請求等待不耗CPU)

 

問題3：線程的使用數量和CPU的使用率有必然的聯繫嗎

答案是否。

仍是拿單核作假設。

狀況1：

long num = 0;
while (true)
{
    num += new Random().Next(-100,100);
    //Thread.Sleep(100);
}

單核下，咱們只啓動一個線程，就可讓你CPU爆滿。

啓動八次，八進程CPU基本爆滿。

狀況2：

一千多個線程，而CPU的使用率居然是0。由此，咱們獲得了以前的結論，線程的使用數量和CPU的使用率沒有必然的聯繫。

雖然如此，可是也不能毫無節制的開啓線程。由於：

• 開啓一個新的線程的過程是比較耗資源的。（但是使用線程池，來下降開啓新線程所消耗的資源）
• 多線程的切換也是須要時間的。
• 每一個線程佔用了必定的內存保存線程上下文信息。

 

demo：http://pan.baidu.com/s/1slOxgnF

本文已同步至索引目錄：《C#基礎知識鞏固》

對於異步編程瞭解不深，文中極有可能多處錯誤描述和觀點。

感謝廣大園友的指正。

本着相互討論的目的，絕無想要誤導你們的意思。

 

【推薦】

http://www.cnblogs.com/wisdomqq/archive/2012/03/26/2412349.html