C# 异步和多线程

C#中 Thread，Task，Async/Await，IAsyncResult 的那些事儿！

说起异步，Thread，Task，async/await，IAsyncResult 这些东西肯定是绕不开的，今天就来依次聊聊他们

1.线程（Thread）

多线程的意义在于一个应用程序中，有多个执行部分可以同时执行；对于比较耗时的操作(例如io，数据库操作)，或者等待响应(如WCF通信)的操作，可以单独开启后台线程来执行，这样主线程就不会阻塞，可以继续往下执行；等到后台线程执行完毕，再通知主线程，然后做出对应操作！

在C#中开启新线程比较简单

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主线程开始");
    //IsBackground=true，将其设置为后台线程
    Thread t = new Thread(Run) { IsBackground = true };
    t.Start();
　　 Console.WriteLine("主线程在做其他的事！");
    //主线程结束，后台线程会自动结束，不管有没有执行完成
    //Thread.Sleep(300);
    Thread.Sleep(1500);
    Console.WriteLine("主线程结束");
}
static void Run()
{
    Thread.Sleep(700);
    Console.WriteLine("这是后台线程调用");
}

执行结果如下图，

可以看到在启动后台线程之后，主线程继续往下执行了，并没有等到后台线程执行完之后。

1.1 线程池

试想一下，如果有大量的任务需要处理，例如网站后台对于HTTP请求的处理，那是不是要对每一个请求创建一个后台线程呢？显然不合适，这会占用大量内存，而且频繁地创建的过程也会严重影响速度，那怎么办呢？线程池就是为了解决这一问题，把创建的线程存起来，形成一个线程池(里面有多个线程)，当要处理任务时，若线程池中有空闲线程(前一个任务执行完成后，线程不会被回收，会被设置为空闲状态)，则直接调用线程池中的线程执行(例asp.net处理机制中的Application对象)，

使用事例：

for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(m =>
    {
        Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString());
    });
}
Console.Read();

运行结果：

可以看到，虽然执行了10次，但并没有创建10个线程。

1.2 信号量(Semaphore)

Semaphore负责协调线程，可以限制对某一资源访问的线程数量

这里对SemaphoreSlim类的用法做一个简单的事例：

static SemaphoreSlim semLim = new SemaphoreSlim(3); //3表示最多只能有三个线程同时访问
static void Main(string[] args)
{
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        new Thread(SemaphoreTest).Start();
    }
    Console.Read();
}
static void SemaphoreTest()
{
    semLim.Wait();
    Console.WriteLine("线程" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString() + "开始执行");
    Thread.Sleep(2000);
    Console.WriteLine("线程" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString() + "执行完毕");
    semLim.Release();
}

执行结果如下：

可以看到，刚开始只有三个线程在执行，当一个线程执行完毕并释放之后，才会有新的线程来执行方法！

除了SemaphoreSlim类，还可以使用Semaphore类，感觉更加灵活，感兴趣的话可以搜一下，这里就不做演示了！

2.Task

Task是.NET4.0加入的，跟线程池ThreadPool的功能类似，用Task开启新任务时，会从线程池中调用线程，而Thread每次实例化都会创建一个新的线程。

Console.WriteLine("主线程启动");
//Task.Run启动一个线程
//Task启动的是后台线程，要在主线程中等待后台线程执行完毕，可以调用Wait方法
//Task task = Task.Factory.StartNew(() => { Thread.Sleep(1500); Console.WriteLine("task启动"); });
Task task = Task.Run(() => {
    Thread.Sleep(1500);
    Console.WriteLine("task启动");
});
Thread.Sleep(300);
task.Wait();
Console.WriteLine("主线程结束");

执行结果如下：

开启新任务的方法：Task.Run()或者Task.Factory.StartNew()，开启的是后台线程

要在主线程中等待后台线程执行完毕，可以使用Wait方法(会以同步的方式来执行)。不用Wait则会以异步的方式来执行。

比较一下Task和Thread：

static void Main(string[] args)
{
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        new Thread(Run1).Start();
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        Task.Run(() => { Run2(); });
    }
}
static void Run1()
{
    Console.WriteLine("Thread Id =" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}
static void Run2()
{
    Console.WriteLine("Task调用的Thread Id =" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}

执行结果：

可以看出来，直接用Thread会开启5个线程，用Task(用了线程池)开启了3个！

2.1 Task<TResult>

Task<TResult>就是有返回值的Task，TResult就是返回值类型。

Console.WriteLine("主线程开始");
//返回值类型为string
Task<string> task = Task<string>.Run(() => {
    Thread.Sleep(2000);
    return Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString();
});
//会等到task执行完毕才会输出;
Console.WriteLine(task.Result);
Console.WriteLine("主线程结束");

运行结果：

通过task.Result可以取到返回值，若取值的时候，后台线程还没执行完，则会等待其执行完毕！

简单提一下：

Task任务可以通过CancellationTokenSource类来取消，感觉用得不多，用法比较简单，感兴趣的话可以搜一下！

3. async/await

async/await是C#5.0中推出的，先上用法：

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("-------主线程启动-------");
    Task<int> task = GetStrLengthAsync();
    Console.WriteLine("主线程继续执行");
    Console.WriteLine("Task返回的值" + task.Result);
    Console.WriteLine("-------主线程结束-------");
}

static async Task<int> GetStrLengthAsync()
{
    Console.WriteLine("GetStrLengthAsync方法开始执行");
    //此处返回的<string>中的字符串类型，而不是Task<string>
    string str = await GetString();
    Console.WriteLine("GetStrLengthAsync方法执行结束");
    return str.Length;
}

static Task<string> GetString()
{
　　 //Console.WriteLine("GetString方法开始执行")
    return Task<string>.Run(() =>
    {
        Thread.Sleep(2000);
        return "GetString的返回值";
    });
}

async用来修饰方法，表明这个方法是异步的，声明的方法的返回类型必须为：void，Task或Task<TResult>。

await必须用来修饰Task或Task<TResult>，而且只能出现在已经用async关键字修饰的异步方法中。通常情况下，async/await成对出现才有意义，

看看运行结果：

可以看出来，main函数调用GetStrLengthAsync方法后，在await之前，都是同步执行的，直到遇到await关键字，main函数才返回继续执行。

那么是否是在遇到await关键字的时候程序自动开启了一个后台线程去执行GetString方法呢？

现在把GetString方法中的那行注释加上，运行的结果是：

大家可以看到，在遇到await关键字后，没有继续执行GetStrLengthAsync方法后面的操作，也没有马上反回到main函数中，而是执行了GetString的第一行，以此可以判断await这里并没有开启新的线程去执行GetString方法，而是以同步的方式让GetString方法执行，等到执行到GetString方法中的Task<string>.Run()的时候才由Task开启了后台线程！

那么await的作用是什么呢？

可以从字面上理解，上面提到task.wait可以让主线程等待后台线程执行完毕，await和wait类似，同样是等待，等待Task<string>.Run()开始的后台线程执行完毕，不同的是await不会阻塞主线程，只会让GetStrLengthAsync方法暂停执行。

那么await是怎么做到的呢？有没有开启新线程去等待？

只有两个线程(主线程和Task开启的线程)！至于怎么做到的(我也不知道......>_<)，大家有兴趣的话研究下吧！

4.IAsyncResult

IAsyncResult自.NET1.1起就有了，包含可异步操作的方法的类需要实现它，Task类就实现了该接口

在不借助于Task的情况下怎么实现异步呢？

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("主程序开始--------------------");
        int threadId;
        AsyncDemo ad = new AsyncDemo();
        AsyncMethodCaller caller = new AsyncMethodCaller(ad.TestMethod);

        IAsyncResult result = caller.BeginInvoke(3000,out threadId, null, null);
        Thread.Sleep(0);
        Console.WriteLine("主线程线程 {0} 正在运行.",Thread.CurrentThread.ManagedThreadId)
        //会阻塞线程，直到后台线程执行完毕之后，才会往下执行
        result.AsyncWaitHandle.WaitOne();
        Console.WriteLine("主程序在做一些事情！！！");
        //获取异步执行的结果
        string returnValue = caller.EndInvoke(out threadId, result);
        //释放资源
        result.AsyncWaitHandle.Close();
        Console.WriteLine("主程序结束--------------------");
        Console.Read();
    }
}
public class AsyncDemo
{
    //供后台线程执行的方法
    public string TestMethod(int callDuration, out int threadId)
    {
        Console.WriteLine("测试方法开始执行.");
        Thread.Sleep(callDuration);
        threadId = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;
        return String.Format("测试方法执行的时间 {0}.", callDuration.ToString());
    }
}
public delegate string AsyncMethodCaller(int callDuration, out int threadId);

关键步骤就是红色字体的部分，运行结果：

和Task的用法差异不是很大！result.AsyncWaitHandle.WaitOne()就类似Task的Wait。

5.Parallel

最后说一下在循环中开启多线程的简单方法：

Stopwatch watch1 = new Stopwatch();
watch1.Start();
for (int i = 1; i <= 10; i++)
{
    Console.Write(i + ",");
    Thread.Sleep(1000);
}
watch1.Stop();
Console.WriteLine(watch1.Elapsed);

Stopwatch watch2 = new Stopwatch();
watch2.Start();

//会调用线程池中的线程
Parallel.For(1, 11, i =>
{
    Console.WriteLine(i + ",线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    Thread.Sleep(1000);
});
watch2.Stop();
Console.WriteLine(watch2.Elapsed);

运行结果：

循环List<T>：

List<int> list = new List<int>() { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 6, 7, 8, 9 };
Parallel.ForEach<int>(list, n =>
{
    Console.WriteLine(n);
    Thread.Sleep(1000);
});

执行Action[]数组里面的方法：

Action[] actions = new Action[] {
   new Action(()=>{
       Console.WriteLine("方法1");
   }),
    new Action(()=>{
       Console.WriteLine("方法2");
   })
};
Parallel.Invoke(actions);

6.异步的回调

为了简洁(偷懒)，文中所有Task<TResult>的返回值都是直接用task.result获取，这样如果后台任务没有执行完毕的话，主线程会等待其执行完毕。这样的话就和同步一样了，一般情况下不会这么用。简单演示一下Task回调函数的使用：

Console.WriteLine("主线程开始");
Task<string> task = Task<string>.Run(() => {
    Thread.Sleep(2000);
    return Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString();
});
//会等到任务执行完之后执行
task.GetAwaiter().OnCompleted(() =>
{
    Console.WriteLine(task.Result);
});
Console.WriteLine("主线程结束");
Console.Read();

执行结果：

OnCompleted中的代码会在任务执行完成之后执行！

另外task.ContinueWith()也是一个重要的方法：

Console.WriteLine("主线程开始");
Task<string> task = Task<string>.Run(() => {
    Thread.Sleep(2000);
    return Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString();
});

task.GetAwaiter().OnCompleted(() =>
{
    Console.WriteLine(task.Result);
});
task.ContinueWith(m=>{Console.WriteLine("第一个任务结束啦！我是第二个任务");});
Console.WriteLine("主线程结束");
Console.Read();

执行结果：

ContinueWith()方法可以让该后台线程继续执行新的任务。

Task的使用还是比较灵活的，大家可以研究下，好了，以上就是全部内容了，篇幅和能力都有限，希望对大家有用！