C#基础提升系列——C#异步编程
C#异步编程
关于异步的概述,这里引用MSDN的一段文字:
异步编程是一项关键技术,使得能够简单处理多个核心上的阻塞 I/O 和并发操作。 如果需要 I/O 绑定(例如从网络请求数据或访问数据库),则需要利用异步编程。 还可以使用 CPU 绑定代码(例如执行成本高昂的计算),对编写异步代码而言,这是一个不错的方案。
异步代码具有以下特点:
- 等待 I/O 请求返回的同时,可通过生成处理更多请求的线程,处理更多的服务器请求。
- 等待 I/O 请求的同时生成 UI 交互线程,并通过将长时间运行的工作转换到其他 CPU 核心,让 UI 的响应速度更快。
- 许多较新的 .NET APIs 都是异步的。
使用异步编程,方法的调用是后台运行,并且不会阻塞调用线程。
异步编程的基础
异步编程的核心是
Task
和Task<T>
对象,这两个对象对异步操作建模。 它们受关键字async
和await
的支持。 在大多数情况下模型十分简单:对于 I/O 绑定代码,当你
await
一个操作,它将返回async
方法中的一个Task
或Task<T>
。
对于 CPU 绑定代码,当你await
一个操作,它将在后台线程通过Task.Run
方法启动。await
关键字有这奇妙的作用。 它控制执行await
的方法的调用方,且它最终允许 UI 具有响应性或服务具有灵活性。
async
和await
关键字只是编译器功能,实质是编译器会用Task
类创建代码。
创建任务
我们先定义一个简单的方法,在该方法中,等待3秒之后返回一个字符串:
public static string Greeting(string name)
{
//等待3秒
Task.Delay(3000).Wait(); //Wait方法用来等待之前的任务完成
return "Hello," + name;
}
上述方法中使用了Wait()
方法,该方法是一个同步方法,它使调用线程等到当前任务完成。如果当前任务尚未开始执行,则Wait()
方法尝试从调度程序中删除该任务,并在当前线程上内联执行该任务。如果无法执行此操作,或者当前任务已经开始执行,则会阻止调用线程,直到任务完成。
我们使用一个简单的代码来测试一下运行效果,如下:
Stopwatch sw = new Stopwatch();
Console.WriteLine("-----开始程序-----");
//开始计时
sw.Start();
//调用方法
Console.WriteLine( AsyncDemo.Greeting("world"));
Console.WriteLine("总执行时间:" + sw.Elapsed.Seconds + "秒");
sw.Stop();
Console.WriteLine("-----结束程序-----");
Console.Read();
控制台在打印出“-----开始程序-----”后,将会花费3秒时间调用Greeting()
方法,上述执行结果如下:
-----开始程序-----
Hello,world
总执行时间:3秒
-----结束程序-----
接着我们定义一个将此方法异步化的另一个方法GreetingAsync()
,基于任务的异步模式,指定在异步方法名后加上Async
后缀,并返回一个任务。如下:
private static Task<string> GreetingAsync(string name)
{
return Task.Run<string>(() => { return Greeting(name); });
}
上述Task<string>
定义了一个返回字符串的任务,该方法返回的是一个任务,该任务返回的是一个字符串。
调用异步方法
可以使用await
关键字来调用返回任务的异步方法。使用await
关键字需要使用async
修饰符声明的方法。
public async static void CallerWithAsync()
{
string result = await GreetingAsync("异步调用方法");
Console.WriteLine(result);
}
在GreetingAsync()
方法完成前,CallerWithAsync()
内的其他代码不会继续执行。但是调用CallerWithAsync()
方法的线程并没有阻塞,可以被重用。调用CallerWithAsync()
方法如下:
Stopwatch sw = new Stopwatch();
Console.WriteLine("-----开始程序-----");
//开始计时
sw.Start();
AsyncDemo.CallerWithAsync();
Console.WriteLine("总执行时间:" + sw.Elapsed.Seconds + "秒");
sw.Stop();
Console.WriteLine("-----结束程序-----");
Console.Read();
在上述代码中,直接调用了CallerWithAsync()
方法,由于外部并不会被阻塞,所以直接会执行AsyncDemo.CallerWithAsync()
之后的代码,得到的结果如下:
-----开始程序-----
总执行时间:0秒
-----结束程序-----
Hello,异步调用方法
延续任务(await
关键字的实质)
Task
类的ContinueWith()
方法定义了任务完成后就调用的代码。指派给ContinueWith()
方法的委托接收将已完成的任务作为参数传入,使用Result
属性可以访问任务返回的结果。
将上述使用await
关键字调用的方法CallerWithAsync()
,使用Task类的ContinueWith()
进行实现:
public static void CallerWithContinuationTask()
{
Task<string> t1 = GreetingAsync("异步调用方法");
t1.ContinueWith(t =>
{
string result = t.Result;
Console.WriteLine(result);
});
}
C#编译器会把await
关键字后的所有代码放进ContinueWith()
方法的代码块中来转换await
关键字。
因此该方法的执行效果和CallerWithAsync()
方法的执行效果一样,它们输出结果也相同。
同步上下文
在上述的方法CallerWithAsync()
中(或CallerWithContinuationTask()
方法中),不同的执行阶段使用了不同的线程,一个线程用于调用CallerWithAsync()
方法,我们把这个线程称作为外部调用线程或前台线程、主线程,另一个线程执行await
关键字后面的代码,或者继续执行ContinueWith()
方法内的代码块,我们把这个线程称为方法内部执行线程或后台线程。在使用异步时,必须保证在所有应该完成的后台任务之前,至少有一个前台线程仍然在运行。上述实例中的Console.Read()
就是用来保证主线程一直在运行。
有时候,为了执行某些动作,有些应用程序会绑定到指定的线程上。例如,在winform或WPF应用程序中,只有UI线程才能访问UI元素,这将会是一个问题。在未出现async
和await
之前,需要借助委托来解决这类问题,代码相对比较繁琐。
而使用
async
和await
关键字,当await
完成之后,不需要进行任何特别处理,就能访问UI线程。默认情况下,生成的代码就会把线程转换到拥有同步上下文的线程中。WPF设置了DispatcherSynchronizationContex
t属性,winfrom设置了WindowsFormsSynchronizationContext
属性。如果调用异步方法的线程分配了同步上下文,await
完成之后将继续执行。默认情况下,使用了同步上下文。如果不使用相同的同步上下文,则必须调用Task方法ConfigureAwait(continueOnCapturedContext:false)
。例如, 一个WPF应用程序,其await
后面的代码没有用到任何的UI元素。在这种情况下,避免切换到同步上下文会执行的更快。
使用多个异步方法
在一个异步方法里,可以调用一个或多个异步方法。如何编写代码,取决于一个异步方法的结果是否依赖于另一个异步方法。
按顺序调用多个异步方法
如果某个异步方法,需要在之前的其他的异步方法执行完后才被调用,就需要使用await
关键字。它可以实现一个异步方法依赖另一个异步方法的结果的情况。
public async static void MultipleAsyncMehtods()
{
string s1 =await GreetingAsync("Mul1");
string s2 =await GreetingAsync("Mul2");
Console.WriteLine("Mul:" + s1 + " " + s2);
}
使用组合器
如果异步方法不依赖于其他异步方法,比如无返回值的异步方法或返回值互不联系,可以在异步方法被调用时,不使用await
关键字,而是把每个异步方法的返回结果赋值给Task
变量,这样运行的就会更快一些。
使用组合器,可以同时并行运行多个异步方法。一个组合器可以接受多个同一类型的参数,并返回同一类型的值。多个同一类型的参数被组合成一个参数来传递。Task组合器接受多个Task
对象作为参数,并返回一个Task
。
下述示例中使用Task.WhenAll
组合器方法,它可以等待,直到两个任务都完成:
public async static void MultipleAsyncMethodsWithCombinators1()
{
Task<string> t1 = GreetingAsync("mulA");
Task<string> t2 = GreetingAsync("mulB");
await Task.WhenAll(t1, t2);
Console.WriteLine("结果:" + t1.Result + " " + t2.Result);
}
Task
类型的WhenAll
方法定义了多个重载版本,如果所有的任务返回相同的类型,可以使用该类型的数组接收await
返回的结果。如下:
private async static void MultipleAsyncMethodsWithCombinators2()
{
Task<string> t1 = GreetingAsync("mulA");
Task<string> t2 = GreetingAsync("mulB");
string[] result = await Task.WhenAll(t1, t2);
Console.WriteLine("结果:" + result[0] + " " + result[1]);
}
除了WhenAll
组合器外,Task
类还定义了WhenAny
组合器。
WhenAll
:从WhenAll
方法返回的Task
,是在所有传入方法的任务都完成了才会返回Task
。WhenAny
:从WhenAny
返回的Task
,是在其中一个传入方法的任务完成了就会返回Task
。
转换异步模式
并非.NET Framework的所有类都引入了新的异步方法,有些类只提供了BeginXXX方法和EndXXX方法的异步模式,没有提供基于任务的异步模式。我们可以把这些旧的异步模式转换为新的基于任务的异步模式。
为了模拟出BeginXXX和EndXXX这种形式的方法,对之前的同步方法Greeting()
进行扩展:
public static string Greeting(string name)
{
//等待3秒
Task.Delay(3000).Wait(); //Wait方法用来等待之前的任务完成
return "Hello," + name;
}
//定义一个委托
private static Func<string, string> greetingInvoker = Greeting;
//模拟异步模式
private static IAsyncResult BeginGreeting(
string name,AsyncCallback callback, object state)
{
return greetingInvoker.BeginInvoke(name, callback, state);
}
//该方法返回来自于Greeting的结果
private static string EndGreeting(IAsyncResult ar)
{
return greetingInvoker.EndInvoke(ar);
}
//使用新的基于任务的异步模式进行调用
public static async void ConvertingAsyncPattern()
{
string s = await Task<string>.Factory.FromAsync<string>(
BeginGreeting, EndGreeting, "测试", null);
Console.WriteLine(s);
}
上述实例中,使用
TaskFactory
类的FromAsync()
方法,把使用旧的异步模式的方法转换为基于任务的异步模式的方法(TAP)。其中,Task
类型的第一个泛型参数Task<string>
定义了调用方法的返回值类型。FromAsync()
方法的泛型参数定义了方法的输入类型。FromAsync()
方法的前两个参数是委托类型,传入BeginGreeting
和EndGreeting
方法的声明。紧跟这两个参数后面的是输入参数和对象状态参数。因对象状态没有用到,所以分配null
值。因为FromAsync()
方法返回Task
类型,可以使用await
修饰。
错误处理
为了说明多个异步方法出现错误时的异常处理情况,我们先定义一个简单的方法,如下:
//注:该方法不是最终解决方案,终极方法见下述说明
public static async void ThrowAfter(int ms, string message)
{
await Task.Delay(ms);
throw new Exception(message);
}
上述方法将在指定的时间间隔抛出一个异常。如果直接在try/catch块中调用该异步方法,并且没有等待,就会捕获不到异常,代码如下:
//注:该方法不是最终解决方案,终极方法见下述说明
public static void DontHandle()
{
try
{
ThrowAfter(200, "first");
}
catch (Exception ex)
{
Console.WriteLine(ex.Message);
}
}
上述的代码并不能捕获到任何异常,这是因为DontHandle()
方法在ThrowAfter()
抛出异常之前,就已经执行完毕。正确的做法是使用await
关键字等待ThrowAfter()
方法执行完才能捕获。由于ThrowAfter()
是一个void方法,返回void
的异步方法不能使用await
关键字进行等待,就无法捕获异常,因此异常方法最好返回一个Task
类型。对上述方法进行重构:
//注:终极方法
public async static Task ThrowAfter(int ms, string message)
{
await Task.Delay(ms);
throw new Exception(message);
}
//注:终极方法
public async static void DontHandle()
{
try
{
await ThrowAfter(200, "first");
}
catch (Exception ex)
{
Console.WriteLine(ex.Message);
}
}
重构后的方法可以正常的捕获抛出的异常信息。
多个异步方法的异常处理
上述示例针对单一的异步方法比较容易捕获,如果是多个异步方法,使用上述这种做法并不能够捕获全部的异常。
例如:
//注:该方法不是最终解决方案,终极方法见下述说明
public static async void StartTwoTask()
{
try
{
await ThrowAfter(2000, "first");
await ThrowAfter(1000, "second");
}
catch (Exception ex)
{
Console.WriteLine(ex.Message);
}
}
上述代码中,在第一个ThrowAfter()
方法抛出异常后,try/catch代码块就会捕获到异常,直接跳过第二个ThrowAfter()
方法的执行,因此本示例只能捕获第一个方法抛出的异常,并不能够捕获第二次抛出的异常。
如果采用Task.WhenAll()
方法并行的调用这两个ThrowAfter()
方法,代码如下:
//注:该方法不是最终解决方案,终极方法见下述说明
public async static void StartTwoTaskParallel()
{
try
{
Task t1 = ThrowAfter(2000, "first");
Task t2 = ThrowAfter(1000, "second");
await Task.WhenAll(t1, t2);
}
catch (Exception ex)
{
Console.WriteLine(ex.Message);
}
}
使用Task.WhenAll
,不管任务是否抛出异常,都会等到两个任务完成。但是,如果只是单纯的使用Task.WhenAll
,实际上并不能捕获所有的异常,上述代码只能捕获第一次调用抛出的异常,并不能捕获第二次抛出的异常。为了捕获所有的异常,需要结合使用AggregateException
类型。
使用AggregateException
信息捕获所有异常
并行调用异步方法捕获异常的终极解决方案如下:
//注:终极方案代码
public static async void ShowAggregatedException()
{
Task taskResult = null;
try
{
Task t1 = ThrowAfter(2000, "first");
Task t2 = ThrowAfter(1000, "second");
await (taskResult = Task.WhenAll(t1, t2));
}
catch (Exception ex)
{
Console.WriteLine(ex.Message);
foreach(var ex1 in taskResult.Exception.InnerExceptions)
{
Console.WriteLine(ex1.Message);
}
}
}
通过外部任务的Exception
属性,Exception
属性是AggregateException
类型的,这个类型定义了InnerExceptions
属性,它包含了等待中的所有异常的列表,通过遍历列表,可以捕获每一次任务的异常信息。
取消任务
取消任务常常应用于长时间运行的后台任务。对于取消任务,.NET提供了一种标准的机制。这种机制可用于基于任务的异步模式。
取消框架基于协助行为,不是强制性的。一个运行时间很长的任务需要检查自己是否被取消,在这种情况下,它的工作就是清理所有已打开的资源,并结束相关工作。
取消基于CancellationTokenSource
类,该类用于发送取消请求。请求发送给引用CancellationToken
结构类的任务,其中CancellationToken
结构与CancellationTokenSource
类相关联。
CancellationTokenSource
类还支持在指定时间后才取消任务。CancelAfter
方法传入一个时间值,单位是毫秒,在该时间过后,就取消任务。
可以将CancellationToken
传入异步方法,框架中的某些异步方法提供可以传入CancellationToken
的重载版本,来支持取消任务。一旦取消,就会清理资源,之后抛出异常。
注:取消任务之后,都会抛出异常,可以通过调试的方式,在catch块中进行捕获对应的异常信息。
个人总结
await
关键字用来修饰的是返回Task[<T>]
的方法,而不是一个返回普通类型的方法,并不是方法名带有async
就一定要使用await关键字修饰,需要根据该方法返回的类型进行确定。- 在方法的内部使用了
await
关键字的方法,必须使用async
关键字进行修饰。 - 使用了
async
关键字修饰的方法,在被主线程调用时,该主线程并不会受方法内部的await
关键字的影响,不会被阻塞,依然会运行。而方法内部使用await
修饰的代码,在未完成前,其他代码不会被执行。
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