async & await 的前世此生

時間  2019-11-20
標籤 async await 前世 此生 欄目 Java 简体版
原文   原文鏈接

原文：http://www.cnblogs.com/jesse2013/p/async-and-await.htmlhtml

async 和 await 出如今C# 5.0以後，給並行編程帶來了很多的方便，特別是當在MVC中的Action也變成async以後，有點開始什麼都是async的味道了。可是這也給咱們編程埋下了一些隱患，有時候可能會產生一些咱們本身都不知道怎麼產生的Bug，特別是若是連線程基礎沒有理解的狀況下，更不知道如何去處理了。那今天咱們就來好好看看這兩兄弟和他們的叔叔（Task）爺爺(Thread)們到底有什麼區別和特色，本文將會對Thread 到 Task 再到 .NET 4.5的 async和 await，這三種方式下的並行編程做一個歸納性的介紹包括：開啓線程，線程結果返回，線程停止，線程中的異常處理等。編程

內容索引

建立

static void Main(){
    new Thread(Go).Start();  // .NET 1.0開始就有的 
    Task.Factory.StartNew(Go); // .NET 4.0 引入了 TPL
    Task.Run(new Action(Go)); // .NET 4.5 新增了一個Run的方法
}

public static void Go(){
    Console.WriteLine("我是另外一個線程");
}

　　這裏面須要注意的是，建立Thread的實例以後，須要手動調用它的Start方法將其啓動。可是對於Task來講，StartNew和Run的同時，既會建立新的線程，而且會當即啓動它。安全

線程池 

　　線程的建立是比較佔用資源的一件事情，.NET 爲咱們提供了線程池來幫助咱們建立和管理線程。Task是默認會直接使用線程池，可是Thread不會。若是咱們不使用Task，又想用線程池的話，可使用ThreadPool類。async

static void Main() {
    Console.WriteLine("我是主線程：Thread Id {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(Go);

    Console.ReadLine();
}

public static void Go(object data) {
    Console.WriteLine("我是另外一個線程:Thread Id {0}",Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}

傳入參數

static void Main() {
    new Thread(Go).Start("arg1"); // 沒有匿名委託以前，咱們只能這樣傳入一個object的參數

    new Thread(delegate(){  // 有了匿名委託以後...
        GoGoGo("arg1", "arg2", "arg3");
    });

    new Thread(() => {  // 固然,還有 Lambada
        GoGoGo("arg1","arg2","arg3");
    }).Start();

    Task.Run(() =>{  // Task能這麼靈活，也是由於有了Lambda呀。
        GoGoGo("arg1", "arg2", "arg3");
    });
}

public static void Go(object name){
    // TODO
}

public static void GoGoGo(string arg1, string arg2, string arg3){
    // TODO
}

返回值

　　Thead是不能返回值的，可是做爲更高級的Task固然要彌補一下這個功能。spa

static void Main() {
    // GetDayOfThisWeek 運行在另一個線程中
    var dayName = Task.Run<string>(() => { return GetDayOfThisWeek(); });
    Console.WriteLine("今天是：{0}",dayName.Result);
}

共享數據

　　上面說了參數和返回值，咱們來看一下線程之間共享數據的問題。.net

private static bool _isDone = false;    
static void Main(){
    new Thread(Done).Start();
    new Thread(Done).Start();
}

static void Done(){
    if (!_isDone) {
        _isDone = true; // 第二個線程來的時候，就不會再執行了(也不是絕對的，取決於計算機的CPU數量以及當時的運行狀況)
        Console.WriteLine("Done");
    }
}

　

　　線程之間能夠經過static變量來共享數據。線程

線程安全

 　　咱們先把上面的代碼小小的調整一下，就知道什麼是線程安全了。咱們把Done方法中的兩句話對換了一下位置 。翻譯

private static bool _isDone = false;    
static void Main(){
    new Thread(Done).Start();
    new Thread(Done).Start();
    Console.ReadLine();
}

static void Done(){
    if (!_isDone) {
       Console.WriteLine("Done"); // 猜猜這裏面會被執行幾回？
        _isDone = true; 
    }
}

 

　　上面這種狀況不會一直髮生，可是若是你運氣好的話，就會中獎了。由於第一個線程尚未來得及把_isDone設置成true，第二個線程就進來了，而這不是咱們想要的結果，在多個線程下，結果不是咱們的預期結果，這就是線程不安全。3d

鎖

　　要解決上面遇到的問題，咱們就要用到鎖。鎖的類型有獨佔鎖，互斥鎖，以及讀寫鎖等，咱們這裏就簡單演示一下獨佔鎖。htm

private static bool _isDone = false;
private static object _lock = new object();
static void Main(){
    new Thread(Done).Start();
    new Thread(Done).Start();
    Console.ReadLine();
}

static void Done(){
    lock (_lock){
        if (!_isDone){
            Console.WriteLine("Done"); // 猜猜這裏面會被執行幾回？
            _isDone = true;
        }
    }
}

　　再咱們加上鎖以後，被鎖住的代碼在同一個時間內只容許一個線程訪問，其它的線程會被阻塞，只有等到這個鎖被釋放以後其它的線程才能執行被鎖住的代碼。

Semaphore 信號量

　　我實在不知道這個單詞應該怎麼翻譯，從官方的解釋來看，咱們能夠這樣理解。它能夠控制對某一段代碼或者對某個資源訪問的線程的數量，超過這個數量以後，其它的線程就得等待，只有等如今有線程釋放了以後，下面的線程才能訪問。這個跟鎖有類似的功能，只不過不是獨佔的，它容許必定數量的線程同時訪問。

static SemaphoreSlim _sem = new SemaphoreSlim(3);    // 咱們限制能同時訪問的線程數量是3
static void Main(){
    for (int i = 1; i <= 5; i++) new Thread(Enter).Start(i);
    Console.ReadLine();
}

static void Enter(object id){
    Console.WriteLine(id + " 開始排隊...");
    _sem.Wait();
    Console.WriteLine(id + " 開始執行！");          
    Thread.Sleep(1000 * (int)id);               
    Console.WriteLine(id + " 執行完畢，離開！");      
    _sem.Release();
}

 

　　

在最開始的時候，前3個排隊以後就當即進入執行，可是4和5，只有等到有線程退出以後才能夠執行。

異常處理

　　其它線程的異常，主線程能夠捕獲到麼？

public static void Main(){
    try{
        new Thread(Go).Start();
    }
    catch (Exception ex){
        // 其它線程裏面的異常，咱們這裏面是捕獲不到的。
        Console.WriteLine("Exception!");
    }
}
static void Go() { throw null; }

　　那麼升級了的Task呢？

public static void Main(){
    try{
        var task = Task.Run(() => { Go(); });
        task.Wait();  // 在調用了這句話以後，主線程才能捕獲task裏面的異常

        // 對於有返回值的Task, 咱們接收了它的返回值就不須要再調用Wait方法了
        // GetName 裏面的異常咱們也能夠捕獲到
        var task2 = Task.Run(() => { return GetName(); });
        var name = task2.Result;
    }
    catch (Exception ex){
        Console.WriteLine("Exception!");
    }
}
static void Go() { throw null; }
static string GetName() { throw null; }

一個小例子認識async & await

static void Main(string[] args){
    Test(); // 這個方法實際上是多餘的, 原本能夠直接寫下面的方法
    // await GetName()  
    // 可是因爲控制檯的入口方法不支持async,全部咱們在入口方法裏面不能 用 await
            
    Console.WriteLine("Current Thread Id :{0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}

static async Task Test(){
    // 方法打上async關鍵字，就能夠用await調用一樣打上async的方法
    // await 後面的方法將在另一個線程中執行
    await GetName();
}

static async Task GetName(){
    // Delay 方法來自於.net 4.5
    await Task.Delay(1000);  // 返回值前面加 async 以後，方法裏面就能夠用await了
    Console.WriteLine("Current Thread Id :{0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    Console.WriteLine("In antoher thread.....");
}

await 的原形

  await後的的執行順序 

 

     感謝 locus的指正， await 以後不會開啓新的線程(await 歷來不會開啓新的線程)，因此上面的圖是有一點問題的。

　　await 不會開啓新的線程，當前線程會一直往下走直到遇到真正的Async方法（好比說HttpClient.GetStringAsync），這個方法的內部會用Task.Run或者Task.Factory.StartNew 去開啓線程。也就是若是方法不是.NET爲咱們提供的Async方法，咱們須要本身建立Task，纔會真正的去建立線程。

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("Main Thread Id: {0}\r\n", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    Test();
    Console.ReadLine();
}

static async Task Test()
{
    Console.WriteLine("Before calling GetName, Thread Id: {0}\r\n", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    var name = GetName();   //咱們這裏沒有用 await,因此下面的代碼能夠繼續執行
    // 可是若是上面是 await GetName()，下面的代碼就不會當即執行，輸出結果就不同了。
    Console.WriteLine("End calling GetName.\r\n");
    Console.WriteLine("Get result from GetName: {0}", await name);
}

static async Task<string> GetName()
{
    // 這裏仍是主線程
    Console.WriteLine("Before calling Task.Run, current thread Id is: {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    return await Task.Run(() =>
    {
        Thread.Sleep(1000);
        Console.WriteLine("'GetName' Thread Id: {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
        return "Jesse";
    });
}

　　咱們再來看一下那張圖：

　　

  1. 進入主線程開始執行
  2. 調用async方法，返回一個Task，注意這個時候另一個線程已經開始運行，也就是GetName裏面的 Task 已經開始工做了
  3. 主線程繼續往下走
  4. 第3步和第4步是同時進行的，主線程並無掛起等待
  5. 若是另外一個線程已經執行完畢，name.IsCompleted=true，主線程仍然不用掛起，直接拿結果就能夠了。若是另外一個線程還同有執行完畢, name.IsCompleted=false，那麼主線程會掛起等待，直到返回結果爲止。

只有async方法在調用前才能加await麼？

static void Main(){
    Test();
    Console.ReadLine();
}

static async void Test(){
    Task<string> task = Task.Run(() =>{
        Thread.Sleep(5000);
        return "Hello World";
    });
    string str = await task;  //5 秒以後纔會執行這裏
    Console.WriteLine(str);
}

　　答案很明顯：await並非針對於async的方法，而是針對async方法所返回給咱們的Task，這也是爲何全部的async方法都必須返回給咱們Task。因此咱們一樣能夠在Task前面也加上await關鍵字，這樣作其實是告訴編譯器我須要等這個Task的返回值或者等這個Task執行完畢以後才能繼續往下走。

不用await關鍵字，如何確認Task執行完畢了？

static void Main(){
    var task = Task.Run(() =>{
        return GetName();
    });

    task.GetAwaiter().OnCompleted(() =>{
        // 2 秒以後纔會執行這裏
        var name = task.Result;
        Console.WriteLine("My name is: " + name);
    });

    Console.WriteLine("主線程執行完畢");
    Console.ReadLine();
}

static string GetName(){
    Console.WriteLine("另一個線程在獲取名稱");
    Thread.Sleep(2000);
    return "Jesse";
}

Task.GetAwaiter()和await Task 的區別？

 

  • 加上await關鍵字以後，後面的代碼會被掛起等待，直到task執行完畢有返回值的時候纔會繼續向下執行，這一段時間主線程會處於掛起狀態。
  • GetAwaiter方法會返回一個awaitable的對象（繼承了INotifyCompletion.OnCompleted方法）咱們只是傳遞了一個委託進去，等task完成了就會執行這個委託，可是並不會影響主線程，下面的代碼會當即執行。這也是爲何咱們結果裏面第一句話會是 「主線程執行完畢」！

Task如何讓主線程掛起等待？

　　上面的右邊是屬於沒有掛起主線程的狀況，和咱們的await仍然有一點差異，那麼在獲取Task的結果前如何掛起主線程呢？

static void Main(){
    var task = Task.Run(() =>{
        return GetName();
    });

    var name = task.GetAwaiter().GetResult();
    Console.WriteLine("My name is:{0}",name);

    Console.WriteLine("主線程執行完畢");
    Console.ReadLine();
}

static string GetName(){
    Console.WriteLine("另一個線程在獲取名稱");
    Thread.Sleep(2000);
    return "Jesse";
}

　　

Task.GetAwait()方法會給咱們返回一個awaitable的對象，經過調用這個對象的GetResult方法就會掛起主線程，固然也不是全部的狀況都會掛起。還記得咱們Task的特性麼？ 在一開始的時候就啓動了另外一個線程去執行這個Task，當咱們調用它的結果的時候若是這個Task已經執行完畢，主線程是不用等待能夠直接拿其結果的，若是沒有執行完畢那主線程就得掛起等待了。

await 實質是在調用awaitable對象的GetResult方法

static async Task Test(){
    Task<string> task = Task.Run(() =>{
        Console.WriteLine("另外一個線程在運行！");  // 這句話只會被執行一次
        Thread.Sleep(2000);
        return "Hello World";
    });

    // 這裏主線程會掛起等待，直到task執行完畢咱們拿到返回結果
    var result = task.GetAwaiter().GetResult();  
    // 這裏不會掛起等待，由於task已經執行完了，咱們能夠直接拿到結果
    var result2 = await task;     
    Console.WriteLine(str);
}

到此爲止，await就真相大白了，歡迎點評。Enjoy Coding! :) 

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