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C#异步编程及其同步机制

本篇文章涵盖一下几部分内容：

1. 什么是异步编程，为什么会需要异步编程

2. .NET下的异步编程及其发展

3. .NET线程同步机制及线程间数据封送

4. 异步模式

5. 线程安全及异常处理

6. 线程取消

什么是异步编程，为什么会需要异步编程

这个世界上资源是受限的。但资源限制和懒惰一样促进了工业和科技的发展。在计算机方面举个例子，计算机非得是二进制吗？对计算机来说二进制最好吗？不是，这是由于当时工业水平限制，把电压分成两份表示0和1比分成三份更加方便且可靠；虚拟内存管理，Cache等技术都是由当时硬件条件所限逼出来的技术，同样异步编程和分布式编程也是。生活中的好多事物都不是线性的，拿学生时代的一个常见的例子说一下，明天开学，海量作业一点没写，于是找个同学作业抄一下，但在短时间内一个人很难抄得完，于是我花钱请了几个同学一起抄，把一份工作分给几个人去做，这就是异步了。但除去笔迹不同这么做没有一个人抄安全，有可能哥几个把一份内容重复抄了好几遍（线程安全），这期间万一笔，纸，橡皮没准备充分还得有一个资源争用，死锁的问题（同步的问题），哥几个抄得时候还会相互报一下各自进度（线程间数据封送），所以说这么干是有风险的我们就得有个机制避免这种风险的发生，异步编程和这个类似。

那在编程中异步会用在什么地方呢？一个简单情形，图形界面程序，后台如果要连接数据库查询或写入海量数据或者进行I/O操作，界面会“假死”。之所以发生这种情况是这些处理都在UI线程中，这些操作占用UI线程时，任何拖动UI，点击按钮等操作都得不到及时响应。解决的方法是将这些需要长时间的操作放入一个新的线程异步操作，把UI线程解放出来。其它的应用比如海量数据计算，服务器响应客户端请求等等。

.NET下的异步编程及其发展

首先说明一点，线程可以分为前台线程和后台线程。前台线程和吸血鬼差不多很恐怖，要想干死进程，就必须把所有的前台进程都干掉，UI线程就是前台线程。而后台线程就是二房生的儿子了，进程消亡后紧跟着死掉了，很明显的后台线程就是Word的拼写检查，或者outlook负责跟服务器同步更新邮件的线程。

任何平台和编程语言都会有多线程的实现机制和方法。对于C#来讲Thread类就是创建线程，管理线程的一种最初始的手段。但是创建和销毁一个线程是很耗费资源的，而且创建的线程越多，线程间切换就越频繁（计算机CPU个数受限），线程切换也要耗费资源和时间，再加上线程管理是一件很费心的事，所以微软就引入了线程池的概念。线程池是一个先进先出FIFO的队列，程序员只需要把操作或者任务丢给线程池，让.NET framework替程序员管理线程，线程复用等，极大的简化了开发。这里就有一个控制线程池内线程数量的问题。线程池内的线程肯定得根据需要动态变化，但适应这种需要的算法是什么呢？

一个简单的算法：往线程池中增加一些线程，观察线程池的吞吐量，如果增加后吞吐量增加，说明线程不够，需要增加线程。但这存在一个问题，对于一个很大的任务需要长时间占用线程，增加线程并不能增加吞吐量，此时如果增加线程会加重负担。所以在CLR v4时引入了本地队列（Local Queue）的概念，如果一个线程内创建了另一个线程，新创建的线程不再丢给全局队列，而是给本地队列排队等候调用。这就又有个问题，如果一个队列内任务执行完了，而另一个队列还有好多怎么办？那就让执行完任务的本地队列从该队列上“偷“一个线程执行。这样达到负载均衡。当然线程池的算法会随着CLR版本升级而不断演进，更加智能的管理线程。对普通开发者而言可以不用考虑这些细节，无缝的体验线程池带来的便利和效率就行了。

线程池如此方便，我们怎么使用线程池呢？可以通过以下几种方式：

通过类方法ThreadPool.QueueUserWorkItem直接调用。

通过.net Framework 4.0 引入的TPL（Task Parallel Library）任务并行库。

TPL中最主要的两个类是Task和Parallel。而新版C++标准中也引入了类似的概念parallel_for, parallel_foreach, parallel_invoke等。

详细信息见以下链接。

通过异步委托（BeginInvoke/EndInvoke）调用。

通过BackgroundWorker, BackgroundWorker是WinForm， WPF下的一个控件，主要用于提供UI控件下的协作式取消，进度报告等。

这里我还要讲一下PFX（Parallel FrameWork）。PFX从概念上可以分为数据并行和任务并行。

上层的由两个结构化数据并行APIs组成：PLINQ和Parallel类。而底层的任务并行包含了Task 类和一系列的附属结构用于帮助并行编程。注意PFX是建立在线程池之上的，是更好使用线程池的一种途径，有说法说是用TPL比直接使用线程池效率更高。关于PLINQ，Task，Parallel类及上图所列结构的使用请参考一下链接。

.NET线程同步机制及线程间数据封送

首先.Net的同步机制是干什么的？概况来讲是为了安全。同步机制的存在是因为异步操作是不安全的，会带来一系列的问题，这些问题在第一章节中已经讨论过了。而线程间数据封送和COM与.Net framework数据封送一样，是为了线程间数据和状态的传递。

那么.net的同步机制有哪些呢？概括一下：

简单的锁定方法：Thead类的Sleep, Join等以及Task的Wait方法。

基于对象的锁定:

lock（Monitor.Enter/Monitor.Exit）:首先强调一下它不可以跨进程间线程同步。一般跨进间线程同步都有一个特征，就是同步对象都有名字。

Mutex和Semophore（slim）：这两个都可以跨进程同步，两者的区别在于：Mutex只能有一等待资源，而Semophore可以有多个。拿厕所举例，Mutex相当于厕所中只有一个蹲位，只能一个上了才能上另一个，而Semophore可以有多个蹲位，可以让多个线程同时阻塞一个线程的执行。就是n个哥们一起蹲着，又来一哥们，然后这n个哥们就占着那啥不那啥。

Reade/Writer 锁。

3.基于信号

事件等待句柄AutoResetEvent， ManualResetEvent（Slim）：注意这两个也是允许跨进程的，两者用法差不多，使一个线程释放一个信号从而使得其他线程能够执行。

CountdownEvent（4.0被引入）：这个和上边用法正好相反，它使得一个线程等待收到其他线程的信号后再执行。

Barrier

Wait and pulse

4. 非阻塞的同步结构

Thread.MemoryBarrier

Thread.VolatileRead/Write

Interlocaked

关于以上同步机制具体应用和Demo代码请参考以下链接。

而关于线程间数据封送，一个很好的例子就是点击button后开始在新线程中执行某个操作，但执行过程需要在一个label上显示出来，这时候就需要把新线程内表示执行状态的数据对象封送回UI线程。这部分内容可以参考我以前写的一篇帖子：http://www.cnblogs.com/salomon/archive/2012/06/28/2567339.html。

异步模式

什么需要异步模式？所谓模式，其实是一种方法，就跟上篇博客里所讲的，是从工程实践中总结出来的解决相似或特定问题的一种惯用手段。常见的异步模式包括:

APM模式： BeginXXX/EndXXX, IAsyncResult

EAP模式（基于事件的异步模式）

Windows Form

MethodNameAsync

Event

TAP（基于任务的异步模式）

MethodNameAsync

Task/Task<Result>

这部分内容以下链接讲得很好了，感兴趣可以看一下。更详尽的介绍去MSDN或者官方网站上去找相似的文档。

线程安全及异常处理

新线程中抛出的异常会不会自动封送到主线程中？如何处理新线程中抛出的异常？什么是线程安全？怎样做到线程安全？

线程取消

正在执行的线程怎么能不能取消，怎么取消合适？暴力取消？协作式取消？

C#5.0新的异步模式Async和await关键字

请参考我以前的博客：http://www.cnblogs.com/salomon/archive/2012/06/27/2565862.html

原文链接：http://www.cnblogs.com/salomon/archive/2012/07/26/2610548.html

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