C#并行编程（5）：需要知道的异步

异步与并行的联系

大家知道“并行”是利用CPU的多个核心或者多个CPU同时执行不同的任务，我们不关心这些任务之间的依赖关系。

但是在我们实际的业务中，很多任务之间是相互影响的，比如统计车间全年产量的运算要依赖于各月产量的统计结果。假如你想在计算月产量的时候做些其他事情，如导出生产异常报表，“异步”就可以登上舞台了。

说到异步，必须要先提一下同步。一图胜千言：

图中操作C的执行依赖B的结果，B的执行依赖A的结果。线程1连续执行操作A、B、C便是一个同步过程；相对地，线程1执行完A后把结果给线程2，线程2开始执行B，完成后把B的结果通知到线程1，线程1开始执行C,线程1在等待操作B结果的时候执行了D，这就是一个异步的过程；此外，异步过程中，B和D是并行执行的。

并行会提高业务的执行效率，但异步不会，异步甚至会拖慢业务的执行，比如上面A->B->C的执行过程。异步是让等待变得更有价值,这种价值则体现在多个业务的并行上。

C#中的异步

在需要长时间等待的地方都可以使用异步，比如读写文件、访问网络或者处理图片。特别是在UI线程中，我们要保持界面的响应性，耗时的操作最好都使用异步的方式执行。

.NET提供了三种异步模式：

• IAsyncResult模式（APM）
• 基于事件的异步模式（EAP）
• 基于任务的异步模式（TAP）

其中基于任务的异步模式是.NET推荐的异步编程方式。

IAsyncResult异步模式APM

下面是IAsyncResult基于委托的用法。

/// <summary>
/// 做作业的委托
/// </summary>
/// <param name="workNo">作业编号</param>
private delegate void AsyncWorkCaller(int workNo);

public static void Run()
{
    Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} will do some work.");
    AsyncWorkCaller caller = DoWork;
    AsyncCallback callback = ar =>
    {// 异步任务完成后的回调，在异步任务的执行线程中执行
        Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} did the callback. [{ar.AsyncState}]");
    };
    IAsyncResult result = caller.BeginInvoke(1, callback, "callback msg");
    DoWork(2);
    //result.AsyncWaitHandle.WaitOne();
    caller.EndInvoke(result);
    DoWork(3);
    Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} done the work.");
}

/// <summary>
/// 做作业
/// </summary>
/// <param name="workNo">作业编号</param>
private static void DoWork(int workNo)
{
    Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> work #{workNo} started with thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}.");
    Thread.Sleep(1000);//模拟耗时
    Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> work #{workNo} done with thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}.");
}

我们使用BeginInvoke来异步执行作业1，同时可以执行作业2，调用EndInvoke的时候，当前线程被阻塞直到作业1完成。我们也可以使用result.AsyncWaitHandle.WaitOne()来等待异步作业完成，同样会阻塞当前线程。此外，可以为异步作业增加回调，异步作业在完成时会执行回调函数。

基于事件的异步模式EAP

事件大家不会陌生，我们在Winform编程的时候，总会用到事件。下面是利用BackgroundWorker实现的一个基于事件的简单异步过程。我们给异步对象（这里是BackgroundWorker）订阅DoWork和RunWorkCompleted事件，当调用RunWorkerAsync时，触发异步对象的工作事件，此时会开辟一个新线程来执行目标操作。目标操作完成时，触发工作完成事件，执行后续操作。与IAsyncResult模式不同的是，作业完成后的后续操作会在另外的一个线程执行，而IAsyncResult模式中，完成回调会在目标操作的执行线程中执行。

public static class EventBasedAsync
{
    private static readonly BackgroundWorker worker = new BackgroundWorker();

    static EventBasedAsync()
    {
        worker.DoWork += Worker_DoWork;
        worker.RunWorkerCompleted += Worker_RunWorkerCompleted;
    }

    public static void Run()
    {
        Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} will do some work.");
        worker.RunWorkerAsync(1);
        DoWork(2);
        DoWork(3);
        Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} done the work.");
    }

    private static void Worker_RunWorkerCompleted(object sender, RunWorkerCompletedEventArgs e)
    {//作业完成后，会开辟新的线程执行指定的操作
        Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} did something when work completed.");
    }

    private static void Worker_DoWork(object sender, DoWorkEventArgs e)
    {//作业会运行在新的线程里
        DoWork((int)e.Argument);
    }

    /// <summary>
    /// 做作业
    /// </summary>
    /// <param name="workNo">作业编号</param>
    private static void DoWork(int workNo)
    {
        Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> work #{workNo} started with thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}.");
        Thread.Sleep(3000);//模拟耗时
        Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> work #{workNo} done with thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}.");
    }
}

实际上，我们可以利用AsyncOperationManager实现自己的异步对象,可以使用dnSpy对BackgroundWorker进行反编译观察具体的实现过程。

基于任务的异步模式TAP

在《C#并行编程（4）：基于任务的并行》中，我们已经总结过Task和Task<T>的用法，这里主要关注的是C#的async/await语法与Task的结合用法。

在C#中，我们使用async标记定义一个异步方法，使用await来等待一个异步操作。简单的用法如下：

public async Task DoWorkAsync()
{
    await Task.Delay(1000);
}

public async Task<int> DoWorkAndGetResultAsync()
{
    await Task.Delay(1000);
    return 1;
}

用async/await编写异步过程很方便，但异步方法的执行过程是怎样呢？下面的例子展示了一个异步操作的调用过程，我们以这个例子来分析异步方法的调用过程。

public static async Task Run()
{
    Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} will do some work.");

    Task workTask1 = DoWork(1); // 不使用await调用的异步方法，与正常方法一样
    //await workTask1;
    Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} got task #{workTask1.Id} by async call.");

    Task workTask2 = DoWork(2);
    await workTask2;
    Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} got task #{workTask2.Id} by async call.");

    Task workTask3 = DoWork(3);
    await workTask3;
    Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} got task #{workTask3.Id} by async call.");

    Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} done the work.");
}

/// <summary>
/// 异步作业
/// </summary>
/// <param name="workNo">作业编号</param>
/// <returns>异步任务</returns>
private static async Task DoWork(int workNo)
{
    Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> work #{workNo} started with thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}.");
    DateTime now = DateTime.Now;
    await Task.Run(() =>
    {
        Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> work #{workNo} was running by task #{Task.CurrentId} with thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}.");
        while (now.AddMilliseconds(3000) > DateTime.Now)
        {// 模拟计算过程
        }
    });
    Console.WriteLine($"{DateTime.Now:HH:mm:ss.ffffff}=> work #{workNo} done with thread #{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}.");
}

先来看一下例子的输出：

19:07:33.032779=> thread #10 will do some work.

19:07:33.039762=> work #1 started with thread #10.

19:07:33.075664=> thread #10 got task #2 by async call.

19:07:33.075664=> work #2 started with thread #10.

19:07:33.078658=> work #2 was running by task #3 with thread #11.

19:07:33.082647=> work #1 was running by task #1 with thread #6.

19:07:36.040739=> work #1 done with thread #6.

19:07:36.077638=> work #2 done with thread #11.

19:07:36.077638=> thread #11 got task #4 by async call.

19:07:36.077638=> work #3 started with thread #11.

19:07:36.077638=> thread #11 got task #7 by async call.

19:07:36.077638=> thread #11 done the work.

19:07:36.077638=> work #3 was running by task #6 with thread #12.

19:07:39.077652=> work #3 done with thread #12.

在上面的输出中，我们单看work #1,它由thread #10启动，计算过程在thread #6中执行并结束，最后任务在thread #10中返回，这里我们没有使用await来等待work #1的异步任务；假如我们使用await等待异步任务，如work #2，它在thread #10中启动，计算过程在thread #11中执行并结束，任务最后在thread #11中返回。大家可能发现了两者的不同：await改变了Run()方法的执行线程，从DoWork()方法的执行也能够看出，await会改变异步方法的执行线程!

实际上，编译器会把异步方法转换成状态机结构，执行到await时，编译器把当前正在执行方法（任务）挂起，当await的任务执行完成时，编译器再恢复挂起的方法，所以我们的输出中，异步方法await前面和后面的代码，一般是在不同的线程中执行的。编译器通过这种状态机的机制，使得等待异步操作的过程中线程不再阻塞，进而增强响应性和线程利用率。

理解异步方法的执行机制后，相信对异步的应用会变得更加娴熟，这里就不再总结异步的具体用法。