.NET进阶篇06-async异步、thread多线程3

jiaxibei96
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知识需要不断积累、总结和沉淀，思考和写作是成长的催化剂

一、任务Task

System.Threading.Tasks在.NET4引入，前面线程的API太多了，控制不方便，而ThreadPool控制能力又太弱，比如做线程的延续、阻塞、取消、超时等功能不太方便，所以Task就抽象了线程功能，在后台使用ThreadPool

1、启动任务

可以使用TaskFactory类或Task类的构造函数和Start()方法，委托可以提供带有一个Object类型的输入参数，所以可以给任务传递任意数据

TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
taskFactory.StartNew(() => 
{
    Console.WriteLine($"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
Task.Factory.StartNew(() =>
{
    Console.WriteLine($"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
Task task = new Task(() =>
{
    Console.WriteLine($"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
task.Start();

只有Task类实例方式需要Start()去启动任务，当然可以RunSynchronously()来同步执行任务，主线程会等待，就是用主线程来执行这个task任务

Task task = new Task(() =>
{
    Thread.Sleep(10000);
    Console.WriteLine($"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
task.RunSynchronously();

2、阻塞延续

在Thread中我们使用join来阻塞等待，在多个Thread时进行控制就不太方便。Task中我们使用实例方法Wait阻塞单个任务或静态方法WaitAll和WaitAny阻塞多个任务

var task = new Task(() =>
{
    Thread.Sleep(5*1000);
    Console.WriteLine($"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
var task2 = new Task(() =>
{
    Thread.Sleep(10 * 1000);
    Console.WriteLine($"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
task.Start();
task2.Start();
//task.Wait();//单任务等待
//Task.WaitAny(task, task2);//任何一个任务完成就继续
Task.WaitAll(task, task2);//任务都完成才继续

如果不希望阻塞主线程，实现当一个任务或几个任务完成后执行别的任务，可以使用Task静态方法WhenAll和WhenAny,他们将返回一个Task，但这个Task不允许你控制，将会在满足WhenAll和WhenAny里任务完成时自动完成，然后调用Task的ContinueWith方法，就可以在一个任务完成后紧跟开始另一个任务

Task.WhenAll(task, task2).ContinueWith((t) =>
{
    Console.WriteLine($"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});

Task.Factory工厂中也存在类似ContinueWhenAll和ContinueWhenAny

3、任务层次结构

不仅可以在一个任务结束后执行另一个任务，也可以在一个任务内启动一个任务，这就启动了一个父子层次结构

var parentTask = new Task(()=> 
{
    Console.WriteLine($"parentId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
    Thread.Sleep(5*1000);
    var childTask = new Task(() =>
    {
        Thread.Sleep(10 * 1000);
        Console.WriteLine($"childId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}")
    });
    childTask.Start();
});
parentTask.Start();

如果父任务在子任务之前结束，父任务的状态为WaitingForChildrenToComplete，当子任务也完成时，父任务的状态就变为RanToCompletion，当然，在创建任务时指定TaskCreationOptions枚举参数，可以控制任务的创建和执行的可选行为

4、枚举参数

简单介绍下创建任务中的TaskCreationOptions枚举参数，创建任务时我们可以提供TaskCreationOptions枚举参数，用于控制任务的创建和执行的可选行为的标志

  1. AttachedToParent：指定将任务附加到任务层次结构中的某个父级，意思就是建立父子关系，父任务必须等待子任务完成才可以继续执行。和WaitAll效果一样。上面例子如果在创建子任务时指定TaskCreationOptions.AttachedToParent，那么父任务wait时也会等子任务的结束
  2. DenyChildAttach：不让子任务附加到父任务上
  3. LongRunning：指定是长时间运行任务，如果事先知道这个任务会耗时比较长，建议设置此项。这样，Task调度器会创建Thread线程，而不使用ThreadPool线程。因为你长时间占用ThreadPool线程不还，那它可能必要时会在线程池中开启新的线程，造成调度压力
  4. PreferFairness：尽可能公平的安排任务，这意味着较早安排的任务将更可能较早运行，而较晚安排运行的任务将更可能较晚运行。实际通过把任务放到线程池的全局队列中，让工作线程去争抢，默认是在本地队列中。

另一个枚举参数是ContinueWith方法中的TaskContinuationOptions枚举参数，它除了拥有几个和上面同样功能的枚举值外，还拥有控制任务的取消延续等功能

  1. LazyCancellation：在延续取消的情况下，防止延续的完成直到完成先前的任务。什么意思呢？
CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();
source.Cancel();
var task1 = new Task(() => 
{
    Console.WriteLine($"task1 id={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
var task2 = task1.ContinueWith(t =>
{
    Console.WriteLine($"task2 id={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
},source.Token);
var task3 = task2.ContinueWith(t =>
{
    Console.WriteLine($"task3 id={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
task1.Start();

上面例子我们企图task1->task2->task3顺序执行，然后通过CancellationToken来取消task2的执行。结果会是怎样呢？结果task1和task3会并行执行（task3也是会执行的，而且是和task1并行，等于原来的一条链变成了两条链），然后我们尝试使用LazyCancellation，

var task2 = task1.ContinueWith(t =>
{
    Console.WriteLine($"task2 id={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
},source.Token,TaskContinuationOptions.LazyCancellation,TaskScheduler.Current);

这样，将会在task1执行完成后，task2才去判断source.Token，为Cancel就不执行，接下来执行task3就保证了原来的顺序

  1. ExecuteSynchronously：指定应同步执行延续任务，比如上例中，在延续任务task2中指定此参数，则task2会使用执行task1的线程来执行，这样防止线程切换，可以做些共有资源的访问。不指定的话就随机，但也能也用到task1的线程
  2. NotOnRanToCompletion：延续任务必须在前面任务非完成状态下执行
  3. OnlyOnRanToCompletion：延续任务必须在前面任务完成状态才能执行
  4. NotOnFaulted，OnlyOnCanceled，OnlyOnFaulted等等

5、任务取消

在上篇使用Thread时，我们使用一个变量isStop标记是否取消任务，这种访问共享变量的方式难免会出问题。task中提出CancellationTokenSource类专门处理任务取消，常见用法看下面代码注释

CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();//构造函数中也可指定延迟取消
//注册一个取消时调用的委托
source.Token.Register(() =>
{
    Console.WriteLine("当前source已经取消，可以在这里做一些其他事情（比如资源清理）...");
});
var task1 = new Task(() => 
{
    while (!source.IsCancellationRequested)
    {
        Console.WriteLine($"task1 id={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
    }
},source.Token);
task1.Start();
//source.Cancel();//取消
source.CancelAfter(1000);//延时取消

6、任务结果

让子线程返回结果，可以将信息写入到线程安全的共享变量中去，或则使用可以返回结果的任务。使用Task的泛型版本Task<TResult>，就可以定义返回结果的任务。Task是继承自Task的，Result获取结果时是要阻塞等待直到任务完成返回结果的，内部判断没有完成则wait。通过TaskStatus属性可获得此任务的状态是启动、运行、异常还是取消等

var task = new Task<string>(() =>
{
     return "hello ketty";
});
task.Start();
string result = task.Result;

7、异常

可以使用AggregateException来接受任务中的异常信息，这是一个聚合异常继承自Exception，可以遍历获取包含的所有异常，以及进行异常处理，决定是否继续往上抛异常等

var task = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    var childTask1 = Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        throw new Exception("childTask1异常...");
    },TaskCreationOptions.AttachedToParent);
    var childTask12= Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        throw new Exception("childTask2异常...");
    }, TaskCreationOptions.AttachedToParent);
});
try
{
    try
    {
        task.Wait();
    }
    catch (AggregateException ex)
    {
        foreach (var item in ex.InnerExceptions)
        {
            Console.WriteLine($"message{item.InnerException.Message}");
        }
        ex.Handle(x =>
        {
            if (x.InnerException.Message == "childTask1异常...")
            {
                return true;//异常被处理，不继续往上抛了
            }
            return false;
        });
    }
}
catch (Exception ex)
{
    throw;
}

二、并行Parallel

1、Parallel.For()、Parallel.ForEach()

在.NET4中，另一个新增的抽象的线程时Parallel类。这个类定义了并行的for和foreach的静态方法。Parallel.For()和Parallel.ForEach()方法多次调用一个方法，而Parallel.Invoke()方法允许同时调用不同的方法。首先Parallel是会阻塞主线程的，它将让主线程也参与到任务中
Parallel.For()类似于for允许语句，并行迭代同一个方法，迭代顺序没有保证的

ParallelLoopResult result = Parallel.For(0, 10, i =>
{
    Console.WriteLine($"{i} task:{Task.CurrentId} thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
});
Console.WriteLine(result.IsCompleted);

也可以提前中断Parallel.For()方法。For()方法的一个重载版本接受Action类型参数。一般不使用，像下面这样，本想大于5就停止，但实际也可能有大于5的任务已经在跑了。可以通过ParallelOptions传入允许最大线程数以及取消Token等

ParallelLoopResult result = Parallel.For(0, 10, new ParallelOptions() { MaxDegreeOfParallelism = 8 },(i,loop) =>
{
    Console.WriteLine($"{i} task:{Task.CurrentId} thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    if (i > 5)
    {
        loop.Break();
    }
});

2、Parallel.For

For还有一个高级泛型版本，相当于并行的聚合计算

ParallelLoopResult For<TLocal>(int fromInclusive, int toExclusive, Func<TLocal> localInit, Func<int, ParallelLoopState, TLocal, TLocal> body, Action<TLocal> localFinally);

像下面这样我们求0…100的和，第三个参数更定一个种子初始值，第四个参数迭代累计，最后聚合

int totalNum = 0;
Parallel.For<int>(0, 100, () => { return 0; }, (current, loop, total) =>
{
    total += current;
    return total;
}, (total) =>
{
    Interlocked.Add(ref totalNum, total);
});

上面For用来处理数组数据，ForEach()方法用来处理非数组的数据任务，比如字典数据继承自IEnumerable的集合等

3、Parallel.Invoke()

Parallel.Invoke()则可以并行调用不同的方法，参数传递一个Action的委托数组

Parallel.Invoke(() => { Console.WriteLine($"方法1 thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); }
    , () => { Console.WriteLine($"方法2 thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); }
    , () => { Console.WriteLine($"方法3 thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); });

4、PLinq

Plinq，为了能够达到最大的灵活度，linq有了并行版本。使用也很简单，只需要将原始集合AsParallel就转换为支持并行化的查询。也可以AsOrdered来顺序执行，取消Token，强制并行等

var nums = Enumerable.Range(0, 100);
var query = from n in nums.AsParallel()
            select new
            {
                thread=$"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}"
            };

三、异步等待AsyncAwait

异步编程模型，可能还需要大篇幅来学习，这里先介绍下基本用法，内在本质需要用ILSpy反编译来看，以后可能要分专题总结。文末先给几个参考资料，有兴趣自己阔以先琢磨琢磨鸭

1、简单使用

这是.NET4.5开始提供的一对语法糖，使得可以较简便的使用异步编程。async用在方法定义前面，await只能写在带有async标记的方法中，任何方法都可以增加async，一般成对出现，只有async没有意义，只有await会报错，请先看下面的示例

private static async void AsyncTest()
{
    //主线程执行
    Console.WriteLine($"before await ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
    Task task = taskFactory.StartNew(() =>
    {
        Thread.Sleep(3000);
        Console.WriteLine($"task ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    });
    await task;//主线程到这里就返回了，执行主线程任务
    //子线程执行，其实是封装成委托，在task之后成为回调（编译器功能  状态机实现） 后面相当于task.ContinueWith()
    //这个回调的线程是不确定的：可能是主线程  可能是子线程  也可能是其他线程，在winform中是主线程
    Console.WriteLine($"after await ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
}


一般使用async都会让方法返回一个Task的，像下面这样复杂一点的

private static async Task<string> AsyncTest2()
{
    Console.WriteLine($"before await ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
    string x = await taskFactory.StartNew(() =>
      {
          Thread.Sleep(3000);
          Console.WriteLine($"task ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
          return "task over";
      });

    Console.WriteLine($"after await ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    return x;
}

通过var reslult = AsyncTest2().Result;调用即可。但注意如果调用Wait或Result的代码位于UI线程，Task的实际执行在其他线程，其需要返回UI线程则会造成死锁，所以应该Async all the way

2、优雅

从上面简单示例中可以看出异步编程的执行逻辑：主线程A逻辑->异步任务线程B逻辑->主线程C逻辑。
异步方法的返回类型只能是void、Task、Task。示例中异步方法的返回值类型是Task，通常void也不推荐使用，没有返回值直接用Task就是

上一篇也大概了解到如果我们要在任务中更新UI，需要调用Invoke通知UI线程来更新，代码看起来像下面这样，在一个任务后去更新UI

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    var ResultTask = Task.Run(() => {
        Thread.Sleep(5000);
        return "任务完成";
    });
    ResultTask.ContinueWith((r)=> 
    {
        textBox1.Invoke(() => {
            textBox1.Text = r.Result;
        });
    });
}

如果使用async/await会看起来像这样，是不是优雅了许多。以看似同步编程的方式实现异步

private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    var t = Task.Run(() => {
        Thread.Sleep(5000);
        return "任务完成";
    });
    textBox1.Text = await t;
}

https://www.cnblogs.com/OpenCoder/p/4434574.html
https://www.cnblogs.com/zhaoshujie/p/11192036.html
https://devblogs.microsoft.com/pfxteam/asyncawait-faq/
https://www.cnblogs.com/zh7791/p/9951478.html

3、最后

在.NET 4.5中引入的Async和Await两个新的关键字后，用户能以一种简洁直观的方式实现异步编程。甚至都不需要改变代码的逻辑结构，就能将原来的同步函数改造为异步函数。
在内部实现上，Async和Await这两个关键字由编译器转换为状态机，通过System.Threading.Tasks中的并行类实现代码的异步执行。

字数有点多了，我的能力也就高考作文800字能写的出奇好。看了很多异步编程，脑袋有点炸，等消化后再输出一次，技艺不足，只能用输出倒逼输入了，下一篇会是线程安全集合、锁问题、同步问题，基于事件的异步模式等

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