C＃：異步編程和線程的使用（.NET4.5）

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異步編程和線程處理是并發(fā)或并行編程非常重要的功能特征。為了實(shí)現(xiàn)異步編程，可使用線程也可以不用。將異步與線程同時(shí)講，將有助于我們更好的理解它們的特征。

本文中涉及關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)

1. 異步編程

2. 線程的使用

3. 基于任務(wù)的異步模式

4. 并行編程

5. 總結(jié)

• 異步編程

什么是異步操作？異步操作是指某些操作能夠獨(dú)立運(yùn)行，不依賴(lài)主流程或主其他處理流程。通常情況下，C＃程序從Main方法開(kāi)始，當(dāng)Main方法返回時(shí)結(jié)束。所有的操作都是按順序執(zhí)行的。執(zhí)行操作是有序列的，一個(gè)操作必須等到其前面的操作完成才能夠執(zhí)行。如以下代碼示例：

   1:  static void Main(string[] args)

   2:

   3:  {

   4:

   5:  DoTaskOne();

   6:

   7:  DoTaskTwo();

   8:

   9:  }

“DoTaskOne”方法結(jié)束后，DoTaskTwo()才能夠執(zhí)行。

異步編程中常用后臺(tái)運(yùn)行的方法體現(xiàn)，主調(diào)用線程不會(huì)被阻塞。調(diào)用后臺(tái)運(yùn)行的方法后，執(zhí)行流程會(huì)立即返回到調(diào)用的線程并繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。后臺(tái)運(yùn)行方法通常是用線程或任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在上面的例子中，在“DoTaskOne”方法調(diào)用成功后，如果“DoTaskOne”是異步調(diào)用，，執(zhí)行流程立即返回到Main方法中，并繼續(xù)執(zhí)行“DoTaskTwo” 方法。

C#提供了Thread類(lèi)創(chuàng)建線程實(shí)現(xiàn)異步編程，或者使用.NET提供的異步模式實(shí)現(xiàn)異步編程。.NET中提供了三種不同的異步模式：

1. 異步編程模型（APM）模式

2. 基于事件的異步模式（EAP）

3. 基于任務(wù)的異步模式（TAP）

前兩種模型微軟官方并不推薦使用，本文不再詳細(xì)描述。我們將詳細(xì)討論基于任務(wù)的異步模式（TAP）：

• 線程的使用

在.NET 4.5中引入了異步編程模式，大部分情況下都不需要我們手動(dòng)創(chuàng)建線程。編譯器已經(jīng)替代了開(kāi)發(fā)人員來(lái)完成這項(xiàng)工作。

創(chuàng)建新線程是非常耗時(shí)的。一般情況下，異步和并行編程使用 “基于任務(wù)的異步模式（TAP）”和“任務(wù)并行庫(kù)（TPL）”就夠了。如果需要控制線程的功能則需要使用其他模式。

TAP和TPL都是基于任務(wù)。一般來(lái)說(shuō)任務(wù)是從線程池中調(diào)用線程（ 線程池是.NET框架創(chuàng)建的和維護(hù)的線程集。如果我們使用任務(wù)，就不需要直接調(diào)用線程池。

任務(wù)可以在以下情況運(yùn)行：

1. 在正在運(yùn)行的線程中

2. 在新線程中

3. 從線程池中的某一線程中

4. 沒(méi)有線程也可以運(yùn)行

如果使用任務(wù)機(jī)制，開(kāi)發(fā)人員就不必?fù)?dān)心線程的創(chuàng)建或使用，.NET框架已經(jīng)為我們解決了這一難題。

有時(shí)候需要控制線程，執(zhí)行以下操作：

1. 設(shè)置線程名稱(chēng)

2. 設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)

3. 設(shè)置線程是前端或后端運(yùn)行

我們可以使用線程類(lèi)來(lái)創(chuàng)建線程。

使用Thread類(lèi)創(chuàng)建線程

Thread類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)接收委托類(lèi)型的參數(shù)

1. ThreadStart：定義了返回值為空的方法，且不帶參數(shù)的方法。

2. ParameterizedThreadStart：定義了返回值為空且有一個(gè)object類(lèi)型的參數(shù)。

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，使用 Start方法啟動(dòng)一個(gè)新線程：

   1:  static void Main(string[] args)

   2:

   3:  {

   4:

   5:  Thread thread = new Thread(DoTask);

   6:

   7:  thread.Start();// Start DoTask method in a new thread

   8:

   9:  //Do other tasks in main thread

  10:

  11:  }

  12:

  13:  static public void DoTask() {

  14:

  15:  //do something in a new thread

  16:

  17:  }

可以用Lamda表達(dá)式代替線程名稱(chēng)：

   1:  static void Main(string[] args)

   2:

   3:  {

   4:

   5:  Thread thread = new Thread(() => {

   6:

   7:  //do something in a new thread

   8:

   9:  });

  10:

  11:  thread.Start();// Start a new thread

  12:

  13:  //Do other tasks in main thread

  14:

  15:  }

如果不需要引用變量，可如下直接啟動(dòng)線程：

   1:  static void Main(string[] args)

   2:

   3:  {

   4:

   5:  new Thread(() => {

   6:

   7:  //do something in a new thread

   8:

   9:  }).Start();// Start a new thread

  10:

  11:  //Do other tasks in main thread

  12:

  13:  }

但是，如果想控制線程對(duì)象，對(duì)線程設(shè)置一些屬性，需要在線程創(chuàng)建后引用線程變量。如下可給線程對(duì)象的不同屬性設(shè)值：

   1:  static void Main(string[] args)

   2:

   3:  {

   4:

   5:  Thread thread = new Thread(DoTask);

   6:

   7:  thread.Name = "My new thread";// Asigning name to the thread

   8:

   9:  thread.IsBackground = false;// Made the thread forground

  10:

  11:  thread.Priority = ThreadPriority.AboveNormal;// Setting thread priority

  12:

  13:  thread.Start();// Start DoTask method in a new thread

  14:

  15:  //Do other task in main thread

  16:

  17:  }

調(diào)用引用變量，可以執(zhí)行一些操作如中止線程或通過(guò)調(diào)用join方法等待阻塞線程。

如果需要通過(guò)函數(shù)傳值，可以給Start方法傳值。由于該方法的參數(shù)為Object類(lèi)型，因此需要強(qiáng)制轉(zhuǎn)換類(lèi)型。

   1:  static void Main(string[] args)

   2:

   3:  {

   4:

   5:  Thread thread = new Thread(DoTaskWithParm);

   6:

   7:  thread.Start("Passing string");// Start DoTaskWithParm method in a new thread

   8:

   9:  //Do other task in main thread

  10:

  11:  }

  12:

  13:  static public void DoTaskWithParm(object data)

  14:

  15:  {

  16:

  17:  //we need to cast the data to appropriate object

  18:

  19:  }

“async”和“await”關(guān)鍵字

.NET框架引入了兩個(gè)新的關(guān)鍵字來(lái)實(shí)現(xiàn)異步編程：“async”和“await”。使用 “await”的異步方法必須由“async”修飾符來(lái)聲明方法?！癮wait”關(guān)鍵字修飾調(diào)用異步方法。await 運(yùn)算符應(yīng)用于一個(gè)異步方法中的任務(wù)以掛起該方法的執(zhí)行，直到等待任務(wù)完成.如下： 

   1:  private async static void CallerWithAsync()// async modifier is used

   2:

   3:  {

   4:

   5:  string result = await GetSomethingAsync();// await is used before a method call. It suspends

   6:     //execution of CallerWithAsync() method and control returs to the calling thread that can

          //perform other task.

   7:

   8:  Console.WriteLine(result);

   9:     // this line would not be executed before GetSomethingAsync() //method completes

  10:

  11:  }

而“ async ”修飾符只能用于返回值為T(mén)ask類(lèi)型或Void的方法。它不能用于主程序的切入點(diǎn)。

所有的方法之前不能使用await關(guān)鍵字，使用“await”關(guān)鍵字方法必須返回 “可等待”類(lèi)型。以下屬于“可等待”類(lèi)型：

1. Task

2. Task<T>

3. 自定義“可等待”類(lèi)型。

• 基于任務(wù)的異步模式

首先我們需要聲明一個(gè)返回類(lèi)型為T(mén)ask或Task<T>的異步方法。可以通過(guò)以下幾種方式創(chuàng)建任務(wù)：

1. Task.Factory.StartNew方法：在之前的.NET版本（在.NET 4中），是創(chuàng)建和啟動(dòng)任務(wù)的主要方法。

2. Task.Run或Task.Run <T>方法：從.NET 4.5這個(gè)方法已經(jīng)被使用。此方法足以滿足常見(jiàn)情況。

3. Task.FromResult方法：如果結(jié)果是已計(jì)算，就可以用這個(gè)方法來(lái)創(chuàng)建任務(wù)。

創(chuàng)建并等待一個(gè)任務(wù)

使用Task.Run <T>方法創(chuàng)建Task。該方法將特定工作按順序排列在線程池中運(yùn)行，并返回工作的任務(wù)句柄。需要以下步驟從同步方法中創(chuàng)建異步任務(wù)：

1. 假設(shè)下面方法是同步的，但需要一定的時(shí)間來(lái)完成：

   1:  static string Greeting(string name)

   2:

   3:  {

   4:

   5:  Thread.Sleep(3000);

   6:

   7:  return string.Format("Hello, {0}", name);

   8:

   9:  }

2. 要以異步方式訪問(wèn)此方法，必須以異步方式封裝。命名為“GreetingAsync”。增加“Async”的后綴命名異步方法。

 

   1:  static Task<string> GreetingAsync(string name)

   2:

   3:  {

   4:

   5:  return Task.Run<string>(() =>

   6:

   7:  {

   8:

   9:  return Greeting(name);

  10:

  11:  });

  12:

  13:  }

3.現(xiàn)在，可通過(guò)使用的await關(guān)鍵字調(diào)用異步方法GreetingAsync

 

   1:  private async static void CallWithAsync()

   2:

   3:  {

   4:

   5:  //some other tasks

   6:

   7:  string result = await GreetingAsync("Bulbul");

   8:

   9:  //We can add multiple “await” in same “async” method

  10:

  11:  //string result1 = await GreetingAsync(“Ahmed”);

  12:

  13:  //string result2 = await GreetingAsync(“Every Body”);

  14:

  15:  Console.WriteLine(result);

  16:

  17:  }

當(dāng)“CallWithAsync”方法被調(diào)用時(shí)，與常規(guī)的同步方法一樣執(zhí)行，直到遇到“await”的關(guān)鍵字。當(dāng)它執(zhí)行到 await的關(guān)鍵字會(huì)處理執(zhí)行，并開(kāi)始等待“GreetingAsync（” Bulbul “）” 方法被完成。同時(shí)，程序流將返回” CallWithAsync “方法的調(diào)用者，并繼續(xù)執(zhí)行調(diào)用者的任務(wù)。

當(dāng)“GreetingAsync（" Bulbul "） 方法完成，“CallWithAsync”的方法恢復(fù) “await關(guān)鍵字后的其他任務(wù)。在本實(shí)例中，將繼續(xù)執(zhí)行的代碼“Console.WriteLine（result）”

4. 使用任務(wù)持續(xù)：Task類(lèi) “ContinueWith”的方法定義了Task完成后被調(diào)用的代碼。

   1:  private static void CallWithContinuationTask()

   2:

   3:  {

   4:

   5:  Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");

   6:

   7:  t1.ContinueWith(t =>

   8:

   9:  {

  10:

  11:  string result = t.Result;

  12:

  13:  Console.WriteLine(result);

  14:

  15:  });

  16:

  17:  }

如果使用“ContinueWith”的方法就不需要使用“await“關(guān)鍵字，編譯器會(huì)自動(dòng)在合適的位置中添加“await”關(guān)鍵字。

等候多個(gè)異步方法。

看看下面的代碼：

   1:  private async static void CallWithAsync()

   2:

   3:  {

   4:

   5:  string result = await GreetingAsync("Bulbul");

   6:

   7:  string result1 = await GreetingAsync(“Ahmed”);

   8:

   9:  Console.WriteLine(result);

  10:

  11:  Console.WriteLine(result1);

  12:

  13:  }

有兩個(gè)正在等待調(diào)用函數(shù)序列。“GreetingAsync（” Ahmed “）” 會(huì)在完成第一個(gè)呼叫“GreetingAsync（” Bulbul “）” 之后啟動(dòng)。如果“result”和上面的代碼“result1”是獨(dú)立的，那么連續(xù)的“awiating”并不是一個(gè)好的做法。

在這種情況下，我們可以簡(jiǎn)化調(diào)用方法，不需要添加多個(gè)“await”關(guān)鍵字，只在一個(gè)地方添加await關(guān)鍵字，如下所示，這種情況下，該方法的調(diào)用都可以并行執(zhí)行。

   1:  private async static void MultipleAsyncMethodsWithCombinators()

   2:

   3:  {

   4:

   5:  Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");

   6:

   7:  Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed");

   8:

   9:  await Task.WhenAll(t1, t2);

  10:

  11:  Console.WriteLine("Finished both methods.\n " +

  12:

  13:  "Result 1: {0}\n Result 2: {1}", t1.Result, t2.Result);

  14:

  15:  }

在這里，我們使用Task.WhenAll連接器。Task.WhenAll創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)，將完成所有的提供的任務(wù)。Task類(lèi)也有其他的結(jié)合器。Task.WhenAny，當(dāng)所任務(wù)鏈中所有的任務(wù)完成時(shí)，結(jié)束使用。

處理異常

必須把“await的代碼塊放在try塊內(nèi)捕獲異常。

   1:  private async static void CallWithAsync()

   2:

   3:  {

   4:

   5:  try

   6:

   7:  {

   8:

   9:  string result = await GreetingAsync("Bulbul");

  10:

  11:  }

  12:

  13:  catch (Exception ex)

  14:

  15:  {

  16:

  17:  Console.WriteLine(“handled {0}”, ex.Message);

  18:

  19:  }

  20:

  21:  }

如果try塊中有多個(gè)“await”，只有第一個(gè)” await“異常會(huì)被處理，其他“await”將無(wú)法被捕捉。如果希望所有的方法都能捕獲異常，不能使用“await”關(guān)鍵字調(diào)用方法，使用Task.WhenAll來(lái)執(zhí)行任務(wù)。

   1:  private async static void CallWithAsync()

   2:

   3:  {

   4:

   5:  try

   6:

   7:  {

   8:

   9:  Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");

  10:

  11:  Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed");

  12:

  13:  await Task.WhenAll(t1, t2);

  14:

  15:  }

  16:

  17:  catch (Exception ex)

  18:

  19:  {

  20:

  21:  Console.WriteLine(“handled {0}”, ex.Message);

  22:

  23:  }

  24:

  25:  }

捕獲所有任務(wù)的錯(cuò)誤一種方法是在try塊之外聲明任務(wù)，這樣可以從try塊進(jìn)行訪問(wèn)，并檢查任務(wù)的“IsFaulted”屬性。如果它存在異常那么“IsFaulted”屬性值為T(mén)rue，就可捕獲任務(wù)實(shí)例的內(nèi)部異常。

還有另一個(gè)更好的辦法：

   1:  static async void ShowAggregatedException()

   2:

   3:  {

   4:

   5:  Task taskResult = null;

   6:

   7:  try

   8:

   9:  {

  10:  Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");

  11:

  12:  Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed");

  13:

  14:  await (taskResult = Task.WhenAll(t1, t2));

  15:

  16:  }

  17:

  18:  catch (Exception ex)

  19:

  20:  {

  21:

  22:  Console.WriteLine("handled {0}", ex.Message);

  23:

  24:  foreach (var innerEx in taskResult.Exception.InnerExceptions)

  25:

  26:  {

  27:  Console.WriteLine("inner exception {0}", nnerEx.Message); }

  28:  }

  29:

  30:  }

取消任務(wù)

在此之前，如果從線程池中調(diào)用線程，線程是不可能取消?，F(xiàn)在，Task類(lèi)提供了一個(gè)方法基于CancellationTokenSource類(lèi)能夠取消已啟動(dòng)的任務(wù)，取消任務(wù)步驟：

1. 異步方法應(yīng)該除外 “ CancellationToken” 參數(shù)類(lèi)型

2. 創(chuàng)建CancellationTokenSource類(lèi)實(shí)例：

    var cts =new CancellationTokenSource();

3. 傳遞CancellationToken，如：

   1:    Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul", cts.Token);

4. 長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的方法中，必須調(diào)用CancellationToken 的ThrowIfCancellationRequested（）方法。

 

   1:   static string Greeting(string name, CancellationToken token){

   2:

   3:  Thread.Sleep(3000);

   4:

   5:  token. ThrowIfCancellationRequested();

   6:

   7:  return string.Format("Hello, {0}", name);

   8:

}

5. 從等待的Task中捕獲 OperationCanceledException異常。 

 6. 如果通過(guò)調(diào)用CancellationTokenSource的實(shí)例的方法執(zhí)行取消操作，將從長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行操作中拋出OperationCanceledException異常。也可以設(shè)置取消的時(shí)間。以下是完整的代碼，一秒后執(zhí)行取消操作：

   1:   static void Main(string[] args)

   2:

   3:   {

   4:   CallWithAsync();

   5:

   6:  Console.ReadKey();

   7:

   8:   }

   9:

  10:

  11:  async static void CallWithAsync()

  12:

  13:  {

  14:

  15:  try

  16:

  17:   {

  18:

  19:  CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();

  20:

  21:  source.CancelAfter(TimeSpan.FromSeconds(1));

  22:

  23:   var t1 = await GreetingAsync("Bulbul", source.Token);

  24:   }

  25:

  26:   catch (OperationCanceledException ex)

  27:

  28:  {

  29:

  30:   Console.WriteLine(ex.Message);

  31:

  32:   }

  33:

  34:   }

  35:

  36:  static Task<string> GreetingAsync(string name, CancellationToken token)

  37:

  38:   {

  39:

  40:   return Task.Run<string>(() =>

  41:

  42:   {

  43:

  44:   return Greeting(name, token);

  45:

  46:   });

  47:  }

  48:

  49:

  50:   static string Greeting(string name, CancellationToken token)

  51:

  52:   {

  53:

  54:  Thread.Sleep(3000);

  55:   token.ThrowIfCancellationRequested();

  56:

  57:   return string.Format("Hello, {0}", name);

  58:

  59:   }

  60:

• 并行編程

.NET 4.5及以上版本推出“Parallel類(lèi)，是線程類(lèi)的抽象。使用“Parallel”類(lèi)，我們可以實(shí)現(xiàn)并行。并行與線程不同，它使用所有可用的CPU或內(nèi)核的。以下兩種類(lèi)型的并行是可行：

1. 數(shù)據(jù)并行：如果我們有數(shù)據(jù)的大集合，我們希望在每個(gè)數(shù)據(jù)的某些操作進(jìn)行并行使用，那么就可以使用數(shù)據(jù)并行。Parallel類(lèi)有靜態(tài)For或ForEach來(lái)執(zhí)行數(shù)據(jù)并行行，如

   1:  ParallelLoopResult result =

   2:                      Parallel.For(0, 100, async (int i) =>

   3:                      {

   4:                          Console.WriteLine("{0}, task: {1}, thread: {2}", i,

   5:                          Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

   6:                          await Task.Delay(10);

   7:

   8:                });

For或ForEach方法可以在多線程中和且索引無(wú)序可以是無(wú)序的。

如果想停止并行For或ForEach方法，可通過(guò)ParallelLoopState作為參數(shù)，并根據(jù)需要打破循環(huán)的狀態(tài)，跳出循環(huán)。

   1:  ParallelLoopResult result =

   2:                      Parallel.For(0, 100, async (int i, ParallelLoopState pls) =>

   3:                      {

   4:                          Console.WriteLine("{0}, task: {1}, thread: {2}", i,

   5:                          Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

   6:                          await Task.Delay(10);

   7:                          if (i > 5) pls.Break();

   8:                });

     2. 任務(wù)并行：如果想要同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)的，我們可以通過(guò)調(diào)用Parallel類(lèi)的invoke方法使用任務(wù)并行Parallel.Invoke方法接收委托行為的數(shù)組。例如：

   1:  static void ParallelInvoke()

   2:

   3:  {

   4:

   5:  Parallel.Invoke(MethodOne, MethodTwo);

   6:

   7:  }

   8:

• 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了.NET Framework 4.5提供的異步編程技術(shù)及細(xì)節(jié)。

原文鏈接：http://www.codeproject.com/Articles/996857/Asynchronous-programming-and-Threading-in-Csharp-N

文章名稱(chēng)：C＃：異步編程和線程的使用（.NET4.5）
轉(zhuǎn)載來(lái)源：http://muchs.cn/article42/gedchc.html

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