SynchronizationContext(同步上下文)综述
- 1. 概述
- 2. 同步上下文 的必要性
- 3. 同步上下文 的概念
- 4. 同步上下文 的实现
- 5. 同步上下实现类 的注意事项
- 6. AsyncOperationManager 和 AsyncOperation
- 7. 同步上下文 的Library支持示例
- 8. 限制和功能
1. 概述
注意: 本篇文章讲述的是在 .Net Framework 环境下的分析, 但是我相信这与 .Net Core 设计思想是一致,但在实现上一定优化了很多。
下面开始本次讲述:
无论是什么平台(ASP.NET 、WinForm 、WPF 等),所有 .NET 程序都包含 同步上下文 概念,并且所有多线程编程人员都可以通过理解和应用它获益。
2. 同步上下文 的必要性
2.1. ISynchronizeInvoke 的诞生
原始多线程
- 多线程程序在 .NET Framework 出现之前就存在了。
- 这些程序通常需要一个线程将一个工作单元传递给另一个线程。
- Windows 程序围绕消息循环进行,因此很多编程人员使用这一内置队列传递工作单元。
- 每个要以这种方式使用 Windows 消息队列的多线程程序都必须自定义 Windows 消息以及处理约定。
ISynchronizeInvoke 的诞生
- 当
.NET Framework
首次发布时,这一通用模式是标准化模式。 - 那时 .NET 唯一支持的 GUI 应用程序类型是 WinFrom。
- 不过,框架设计人员期待其他模型,他们开发出了一种通用的解决方案,
ISynchronizeInvoke
诞生了。
- 当
ISynchronizeInvoke 的原理
- 一个“源”线程可以将一个委托列入“目标”线程队列。
ISynchronizeInvoke
还提供了一个属性来确定当前代码是否已在目标线程上运行。- WinForm 提供了单例的
ISynchronizeInvoke
实现,并且开发了一种模式来设计异步组件。
2.2. SynchronizationContext 的诞生
- ASP.NET 异步页面
- .NET Framework 2.0 版包含很多重大改动。 其中一项重要改进是在 ASP.NET 体系结构中引入了异步页面。
- 在 .NET Framework 2.0 之前的版本中,每个 ASP.NET 请求都需要一个线程,线程会直到该请求完成。
- 这会造成线程利用率低下,因为创建网页通常依赖于数据库查询和 Web 服务调用,并且处理请求的线程必须等待,直到所有这些操作结束。
- 后来使用异步页面,处理请求的线程可以开始每个操作,然后返回到 ASP.NET 线程池;当操作结束时,ASP.NET 线程池的另一个线程可以完成该请求。
ISynchronizeInvoke
不太适合 ASP.NET 异步页面体系结构。- 使用
ISynchronizeInvoke
模式开发的异步组件在 ASP.NET 页面内无法正常工作,因为 ASP.NET 异步页面不与单个线程关联。 - 需要设计出,无须将工作排入原来的线程队列,异步页面只需对未完成的操作进行计数 以确定页面请求何时可以完成。
- 使用
- .NET Framework 2.0 版包含很多重大改动。 其中一项重要改进是在 ASP.NET 体系结构中引入了异步页面。
- 经过精心设计,
SynchronizationContext
取代了ISynchronizeInvoke
。
3. 同步上下文 的概念
ISynchronizeInvoke
满足了两点需求:
- 确定是否必须同步
- 使工作单元从一个线程列队等候另一个线程。
设计 SynchronizationContext
是为了替代 ISynchronizeInvoke
,但完成设计后,它就不仅仅是一个替代品了。
- 一方面,
SynchronizationContext
提供了一种方式,可以使工作单元列队并列入上下文。- 请注意,工作单元是列入上下文,而不是某个特定线程。
- 这一区别非常重要,因为很多
SynchronizationContext
实现都不是基于单个特定线程的。 SynchronizationContext
不包含用来确定是否必须同步的机制,因为这是不可能的。- WPF 中的
Dispatcher.Invoke
是将委托列入上下文,不等委托执行直接返回 - WinForm 中的
txtUName.Invoke
会启动一个process,等到委托执行完毕后返回
- WPF 中的
- 另一方面,每个线程都有当前同步上下文。
- 线程上下文不一定唯一;
- 其上下文实例可以与多个其他线程共享。
- 线程可以更改其当前上下文,但这样的情况非常少见。
- 第三个方面,保持了未完成操作的计数。
- 这样,就可以用于 ASP.NET 异步页面和需要此类计数的任何其他主机。
- 大多数情况下,捕获到当前 SynchronizationContext 时,计数递增;
- 捕获到的 SynchronizationContext 用于将完成通知列队到上下文中时,计数递减
void OperationCompleted()
。
- 捕获到的 SynchronizationContext 用于将完成通知列队到上下文中时,计数递减
- 其他一些方面,这些对大多数编程人员来说并不那么重要。
// SynchronizationContext API的重要方面
class SynchronizationContext
{
// 将工作分配到上下文中
void Post(..); // (asynchronously 异步)
void Send(..); // (synchronously 同步)
// 跟踪异步操作的数量。
void OperationStarted();
void OperationCompleted();
// 每个线程都有一个Current Context。
// 如果“Current”为null,则按照惯例,
// 最开始的当前上下文为 new SynchronizationContext()。
static SynchronizationContext Current { get; }
//设置当前同步上下文
static void SetSynchronizationContext(SynchronizationContext);
}
4. 同步上下文 的实现
不同的框架和主机可以自行定义上下文
通过了解这些不同的实现及其限制,可以清楚了解 SynchronizationContext
概念可以和不可以实现的功能
4.1. WinForm 同步上下文
位于:System.Windows.Forms.dll:System.Windows.Forms
WinForm
- WinForm应用程序会创建并安装一个
WindowsFormsSynchronizationContext
- 作为创建
UI Control
的每个线程的当前上下文 - 一个 WinForm 应用程序对应一个同步上下文
- 作为创建
- 这一
SynchronizationContext
使用UI Control
的Invoke
等方法(ISynchronizeInvoke
派生出来的),该方法将委托传递给基础Win32
消息循环 WindowsFormsSynchronizationContext
的上下文是一个单例的 UI 线程- 在
WindowsFormsSynchronizationContext
列队的所有委托一次一个地执行- 这个已排序的委托队列,被一个特定 UI 线程执行完
4.2. Dispatcher 同步上下文
位于:WindowsBase.dll:System.Windows.Threading
WPF
- 委托按“Normal”优先级在 UI 线程的
Dispatcher
中列队 - 当一个线程通过调用
Dispatcher.Run
开启 循环调度器 时,将这个初始化完成的 同步上下文 安装到当前上下文 DispatcherSynchronizationContext
的上下文是一个单独的 UI 线程。- 排队到
DispatcherSynchronizationContext
的所有委托均由特定的UI线程一次一个按其排队的顺序执行 - 当前实现为每个顶层窗口创建一个
DispatcherSynchronizationContext
,即使它们都使用相同的基础调度程序也是如此。
4.3. Default 同步上下文
调度线程池线程的同步上下文。
位于:mscorlib.dll:System.Threading
Default SynchronizationContext
是默认构造的 SynchronizationContext
对象。
- 根据惯例,如果一个线程的当前 SynchronizationContext 为 null,那么它隐式具有一个
Default SynchronizationContext
。 Default SynchronizationContext
将其异步委托列队到ThreadPool
,但在调用线程上直接执行其同步委托。- 因此,
Default SynchronizationContext
涵盖所有ThreadPool
线程以及任何调用Send
的线程。 - 这个上下文“借助”调用
Send
的线程们,将这些线程放入这个上下文,直至委托执行完成- 从这种意义上讲,默认上下文可以包含进程中的所有线程。
Default SynchronizationContext
应用于 线程池 线程,除非代码由 ASP.NET 承载。Default SynchronizationContext
还隐式应用于显式子线程(Thread 类的实例),除非子线程设置自己的SynchronizationContext
。
因此,UI 应用程序通常有两个同步上下文:
- 包含 UI 线程的
UI SynchronizationContext
- 包含 ThreadPool 线程的
Default SynchronizationContext
4.4. 上下文捕获和执行
BackgroundWorker
运行流程
- 首先
BackgroundWorker
捕获并使用调用RunWorkerAsync
的线程的 同步上下文 - 然后,在
Default SynchronizationContext
中执行DoWork
- 最后,在之前捕获的上下文中执行其
RunWorkerCompleted
事件
UI同步上下文 中只有一个 BackgroundWorker
,因此 RunWorkerCompleted
在 RunWorkerAsync
捕获的 UI同步上下文中执行(如下图)。
UI同步上下文中的嵌套 BackgroundWorker
- 嵌套:
BackgroundWorker
从其DoWork
处理程序启动另一个BackgroundWorker
- 嵌套的
BackgroundWorker
不会捕获 UI同步上下文
- 嵌套的
DoWork
由 线程池 线程使用 默认同步上下文 执行。- 在这种情况下,嵌套的
RunWorkerAsync
将捕获默认SynchronizationContext
- 因此它将由一个 线程池 线程而不是 UI线程 执行其
RunWorkerCompleted
- 这样会导致异步执行完后,后面的代码就不在UI同步上下文中执行了(如下图)。
- 在这种情况下,嵌套的
默认情况下,控制台应用程序 和 Windows服务 中的所有线程都只有 Default SynchronizationContext
,这会导致一些基于事件的异步组件失败(也就是没有UI同步上下文的特性)
- 要解决这个问题,可以创建一个显式子线程,然后将 UI同步上下文 安装在该线程上,这样就可以为这些组件提供上下文。
Nito.Async
库的ActionThread
类可用作通用同步上下文实现。
4.5. AspNetSynchronizationContext
位于:System.Web.dll:System.Web [internal class]
ASP.NET
SynchronizationContext
在线程池线程执行页面代码时安装完成。- 当一个委托列入到捕获的
AspNetSynchronizationContext
中时,它设置原始页面的 identity 和 culture 到此线程,然后直接执行委托- 即使委托是通过调用
Post
“异步”列入的,也会直接调用委托。
- 即使委托是通过调用
从概念上讲, AspNetSynchronizationContext
的上下文非常复杂。
- 在异步页面的生命周期中,该同步上下文从来自 ASP.NET 线程池的一个线程开始。
- 异步请求开始后,该上下文不包含任何线程。
- 异步请求结束时,线程池线程进入该上下文并执行 处理完成的相关工作
- 这可能是启动请求的线程,但更可能是操作完成时处于空闲状态的任何线程。
- 如果同一应用程序的多项操作同时完成,
AspNetSynchronizationContext
确保一次只执行其中一项。它们可以在任意线程上执行,但该线程将具有原始页面的 identity 和 culture。
一个常见的示例:
在异步网页中使用 WebClient.DownloadDataAsync 将捕获当前 SynchronizationContext
,之后在该上下文中执行其 DownloadDataCompleted
事件。
- 当页面开始执行时,ASP.NET 会分配一个线程执行该页面中的代码。
- 该页面可能调用
DownloadDataAsync
,然后返回;- ASP.NET 对未完成的异步操作进行计数,以便了解页面处理是否已完成。
- 当
WebClient
对象下载所请求的数据后,它将在线程池线程上收到通知- 该线程将在捕获的上下文中引发
DownloadDataCompleted
- 该线程将在捕获的上下文中引发
- 该上下文将保持在相同的线程中,但会确保事件处理的运行使用正确的 identity 和 culture 运行
5. 同步上下实现类 的注意事项
SynchronizationContext
提供了一种途径,可以在很多不同框架中编写组件BackgroundWorker
和WebClient
就是两个在WinForm
、WPF
、Console
和ASP.NET Application
中同样应用自如的组件。
在设计这类可重用组件时,必须注意几点:
同步上下文的实现们不是平等可比的。
- 这意味着没有类似
ISynchronizeInvoke.InvokeRequired
的等效项- 此属性确定在对如
Concrol
对象进行方法调用时,调用方是否必须通过Invoke
进行调用(传入委托)。 - 这样的(
Control
)对象被绑定到特定线程,并且不是线程安全的。 - 如果要从其他线程调用对象的方法,则必须借助
Invoke
方法将对相应线程调用的委托列队
- 此属性确定在对如
- 不过,这不是多大的缺点;代码更为清晰,并且更容易验证它是否始终在已知上下文中执行,而不是试图处理多个上下文。
- 这意味着没有类似
不是所有 同步上下文的实现 都可以保证委托执行顺序或委托同步顺序。
- UI同步上下文 满足上述条件
- ASP.NET同步上下文 只提供同步
- Default同步上下文 不保证执行顺序或同步顺序
同步上下文实例和线程之间没有 1:1 的对应关系
WindowsFormsSynchronizationContext
确实 1:1 映射到一个线程(只要不调用SynchronizationContext.CreateCopy
)- 任何其他实现都不是这样
- 一般而言,最好不要假设任何上下文实例将在任何指定线程上运行
SynchronizationContext.Post
方法不一定是异步的- 大多数实现异步实现此方法,但
AspNetSynchronizationContext
是一个明显的例外 - 这可能会导致无法预料的重入问题
- 大多数实现异步实现此方法,但
同步上下文实现类的摘要
使用特定线程 执行委托 | 独占 (一次执行一个委托) | 有序 (委托按队列顺序执行) | Send 可以直接调用委托 | Post 可以直接调用委托 | |
---|---|---|---|---|---|
Winform | 能 | 能 | 能 | 如果从UI线程调用 | 从不 |
WPF/Silverlight | 能 | 能 | 能 | 如果从UI线程调用 | 从不 |
Default | 不能 | 不能 | 不能 | Always | 从不 |
ASP.NET | 不能 | 能 | 不能 | Always | Always |
6. AsyncOperationManager 和 AsyncOperation
AsyncOperationManager
和AsyncOperation
类是SynchronizationContext
抽象类的轻型包装AsyncOperation
的异步是使用抽象的同步上下文进行封装的
AsyncOperationManager
在第一次创建AsyncOperation
时捕获当前同步上下文 ,如果当前同步上下文为null
,则使用Default
同步上下文AsyncOperation
将委托异步发布到捕获的 同步上下文- 大多数基于事件的异步组件都在其实现中使用
AsyncOperationManager
和AsyncOperation
- 这些对于具有明确完成点的异步操作非常有效
- 即异步操作从一个点开始,以另一个点的事件结束
- 其他异步通知可能没有明确的完成点;它们可能是一种订阅类型,在一个点开始,然后无限期持续
- 对于这些类型的操作,当触发了被订阅的事件,在事件处理中直接捕获和使用同步上下文
- 这些对于具有明确完成点的异步操作非常有效
新组件不应使用基于事件的异步模式
- 使用基于Task的异步模式
- 组件返回 Task 和 Task 对象,而不是通过 同步上下文 引发事件
- 基于
Task
的 API 是 .NET 中异步编程的发展方向
7. 同步上下文 的Library支持示例
- 像
BackgroundWorker
和WebClient
这样的简单组件是隐式自带的- 隐藏了对同步上下文的捕获和使用。
- 很多 Libraries 以更可见的方式使用 同步上下文
- 通过使用
SynchronizationContext
公开 API,Libraries 不仅获得了框架独立性,而且为高级最终用户提供了一个可扩展点。
- 通过使用
ExecutionContext
- 是与执行的逻辑线程相关的所有信息提供单个容器。 这包括安全上下文、调用上下文和同步上下文
- 任何捕获线程的 ExecutionContext 的系统都会捕获当前 同步上下文
- 当恢复 ExecutionContext 时,通常也会恢复 同步上下文
7.1. WCF
WCF 有两个用于配置服务器和客户端行为的特性:
ServiceBehaviorAttribute
和CallbackBehaviorAttribute
- 这两个特性都有一个 Boolean 属性:UseSynchronizationContext
- 此特性的默认值为 true,这表示在创建通信通道时捕获当前 同步上下文 ,这一捕获的 同步上下文 用于使约定方法列队。
- 服务器使用 Default 同步上下文
- 客户端回调使用相应的 UI 同步上下文
- 在需要重入时,这会导致问题,如客户端调用的服务器方法回调客户端方法。在这类情况下,将
UseSynchronizationContext
设置为false
可以禁止 WCF 自动使用 同步上下文- 因为如果这时如果客户端使用的是UI同步上下文,可能造成不可预期的问题
7.2. Workflow Foundation (WF)
WorkflowInstance
类及其派生的WorkflowApplication
类的SynchronizationContext
属性如果承载进程创建自己拥有的
WorkflowInstance
,同步上下文也许直接设置了WorkflowInvoker.InvokeAsync
也使用 同步上下文- 它捕获当前 同步上下文 并将其传递给其
internal
的WorkflowApplication
- 该 同步上下文 用于
Post
工作流完成事件以及工作流活动
- 该 同步上下文 用于
- 它捕获当前 同步上下文 并将其传递给其
7.3. Task Parallel Library (TPL)
TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext
TPL 使用 Task
对象作为其工作单元并通过 TaskScheduler
执行。
- 默认
TaskScheduler
的作用类似于 Defalut 同步上下文 ,将Task
在ThreadPool
中列队。 - TPL 队列还提供了另一个
TaskScheduler
,将Task
在 一个同步上下文 中列队- UI 进度条更新 可以在一个嵌套
Task
中完成,如下所示。
- UI 进度条更新 可以在一个嵌套
UI 进度条更新
private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
// 捕获当前 SynchronizationContext 的 TaskScheduler.
TaskScheduler taskScheduler = TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext();
// Start a new task (this uses the default TaskScheduler,
// so it will run on a ThreadPool thread).
Task.Factory.StartNew(() =>
{
// We are running on a ThreadPool thread here.
// Do some work.
// Report progress to the UI.
Task reportProgressTask = Task.Factory.StartNew(() =>
{
// We are running on the UI thread here.
// Update the UI with our progress.
},CancellationToken.None,
TaskCreationOptions.None,
taskScheduler);
reportProgressTask.Wait();
// Do more work.
});
}
CancellationToken.Register
CancellationToken
类可用于任意类型的取消操作- 为了与现有取消操作形式集成,该类允许注册委托以在请求取消时调用
- 当取消委托被注册后,同步上下文就可以传递了
- 当发起取消请求时,
CancellationToken
将该委托列入 同步上下文 队列,然后才会进行执行
- 当发起取消请求时,
- 当取消委托被注册后,同步上下文就可以传递了
7.4. Reactive Extensions (Rx)
ObserveOn
、 SubscribeOn
和 SynchronizationContextScheduler
Rx 是一个库,它将事件视为数据流
ObserveOn(context)
运算符通过一个 同步上下文 将事件列队SubscribeOn(context)
运算符通过一个 同步上下文 将对这些事件的订阅 列队ObserveOn(context)
通常用于使用传入事件更新 UI,SubscribeOn 用于从 UI 对象使用事件
Rx 还有它自己的工作单元列队方法: IScheduler
接口。
- Rx 包含
SynchronizationContextScheduler
- 是一个将 Task 列入指定 同步上下文 的 IScheduler 实现。
- 构造方法:
SynchronizationContextScheduler(SynchronizationContext context)
7.5. 异步编程 Async
await
、 ConfigureAwait
、 SwitchTo
和 Progress<T>
- 默认情况下, 当前同步上下文 在一个
await
关键字处被捕获 - 此 同步上下文 用于在运行到
await
关键字后时恢复- 也就是
await
关键字后面的执行代码会被列入到 该同步上下文 中执行- 仅当它不为
null
时,才捕获当前 同步上下文 - 如果为
null
,则捕获当前TaskScheduler
- 仅当它不为
- 也就是
private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
// 当前 SynchronizationContext 被 await 在暗中捕获
var data = await webClient.DownloadStringTaskAsync(uri);
// 此时,已捕获的SynchronizationContext用于恢复执行,
// 因此我们可以自由更新UI对象。
}
ConfigureAwait
提供了一种途径避免SynchronizationContext
捕获;- 为
continueOnCapturedContext
参数传递false
会阻止await
后的代码,在await
执行前的 同步上下文 上执行
- 为
同步上下文实例还有一种扩展方法
SwitchTo
- 使用该方法,任何
async
的方法 可以通过调用SwitchTo
改变到一个不同的同步上下文上,并 awaiting 结果
- 使用该方法,任何
报告异步操作进展的通用模式:
IProgress<T>
接口及其实现Progress<T>
- 该类在构造时捕获 当前同步上下文
- 并在中引发其
ProgressChanged
事件 - 所以实例化时,需要在 UI同步上下文 上执行
返回 void
的 async
方法
- 在异步操作开始时递增计数
- 在异步操作结束后递减计数
这一行为使返回 void
的 async
方法 类似于顶级异步操作。
8. 限制和功能
- 了解 同步上下文 对任何编程人员来说都是有益的
- 现有跨框架组件使用它同步其事件
- Libraries 可以将它公开以获得更高的灵活性
- 技术精湛的编程人员了解 同步上下文 限制和功能后,可以更好地编写和利用这些类
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