.Net中的异步编程总结

一直以来很想梳理下我在开发过程中使用异步编程的心得和体会，但是由于我是APM异步编程模式的死忠，当TAP模式和TPL模式出现的时候我并未真正的去接纳这两种模式，所以导致我一直没有花太多心思去整理这两部分异步编程模型。今天在CodeProject上面偶然间看到一篇关于异步编程的文章，概括总结的非常好，省去了我自己写的麻烦，索性翻译过来，以飨各位。

在阻塞和并行编程过程中，异步和多线程是非常重要的特性。异步编程可以涉及到多线程，也可以不用涉及。如果我们能够把二者放到一起来讲解的话，我们会理解的更快一些。所以今天在这里，我主要想讲解的内容是：

1. 异步编程
2. 是否需要多线程
3. TAP编程模型
4. 并行编程

首先来说明异步编程

所谓的异步编程就是指 当前的操作独立于主操作流程。在C#编程中，我们总是从进入Main方法开始 ，Main方法返回结束。在开始和结束之间的所有操作，都会挨个的执行，下一个操作必须等到上一个操作完毕才开始执行，我们看看如下代码：

static void Main(string[] args)
        {
           DoTaskOne();
           DoTaskTwo();
        }

“DoTaskOne”方法必须在“DoTaskTwo”方法之前执行。也就是发生了阻塞现象。

但是在异步编程中，方法的调用并不会阻塞主线程。当方法被调用后，主线程仍会继续执行其他的任务。这种情形，一般都是使用Thread或者是Task来实现的。

在上面的场景中，如果我们让方法“DoTaskOne”异步执行，那么主线程将会立即返回，然后执行“DoTaskTwo”方法。

在.NET中，我们可以利用Thread类或者异步模式来创建我们自己的线程来实现异步编程。在.NET中有三种不同的异步模型：

1.APM模型

2.EAP模型

但是，遗憾的是，上面的这两种模型都不是微软所推荐的，所以我们将不对其做具体的讨论。如果你对这两种模型感兴趣，请移步：

https://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms228963(v=vs.110).aspx

https://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms228969(v=vs.110).aspx

3.TAP模型：这是微软所推荐的，我们稍后将会详细的进行讲解。

我们是否需要启用多线程

如果我们在.NET 4.5版本中使用异步编程模型，绝大部分情况下我们无需手动创建线程。因为编译器已经为我们做了足够多的工作了。

创建一个新线程不仅耗费资源而且花费时间，除非我们真的需要去控制一个多线程，否则是不需要去创建的。因为TAP模型和TPL模型已经为异步编程和并行编程提供了绝好的支持。TAP模型和TPL模型使用Task来进行操作，而Task类使用线程池中的线程来完成操作的。

Task可以在如下场景中运行：

1. 当前线程
2. 新线程
3. 线程池中的线程
4. 没有线程

在我们使用Task过程中，我们无需担心线程的创建或者是使用，因为.NET framework已经为我们处理好了各种细节。但是如果我们需要控制线程的话，比如说以下的场景：

1. 为线程设置名称
2. 为线程设置优先级
3. 设置线程为后台线程

那么我们不得不使用Thread类来控制。

async和await关键字

.NET framework引入了两个新的关键字“async”和“await”来执行异步编程。当在方法上使用await关键字的时候，我们需要同时使用async关键字。await关键字是在调用异步方法之前被使用的。它主要是使方法的后续执行编程异步的，例如：

private asyncstatic void CallerWithAsync()// async modifier is used
{
  // await is used before a method call. It suspends
  //execution of CallerWithAsync() method and control returs to the calling thread that can
  //perform other task.
  string result = await GetSomethingAsync();

  // this line would not be executed before  GetSomethingAsync() //method completes
  Console.WriteLine(result);
}

在这里，async关键字只能够被那些返回Task或者是void的方法所使用。它不能被用于Main入口方法上。

我们不能够在所有的方法上使用await关键字，因为一旦方法上有了await关键字，那么我们的返回类型就变成了“awaitable “类型。下面的集中类型是” awaitable “：

1. Task
2. Task<T>

TAP模型

首先，我们需要一个能够返回Task或者Task<T>的异步方法。我们可以通过如下方式来创建Task：

1. Task.Factory.StartNew方法：在.net 4.5版本之前(.net 4)中，这是默认的创建和组织task的方式。
2. Task.Run或者Task.Run<T>方法：从.net 4.5版本开始，这个方法被引进来了。这个方法足以能够应付大多数的场景。
3. Task.FromResult方法：如果方法已经执行完毕并返回结果，我们可以使用这个方法来创建一个task。

Task.Factory.StartNew还有一些高级应用场景，请移步：http://blogs.msdn.com/b/pfxteam/archive/2011/10/24/10229468.aspx

下面的链接则展示了创建Task的几种方式： 
http://dotnetcodr.com/2014/01/01/5-ways-to-start-a-task-in-net-c/

Task的创建和等待

我们接下来将会利用Task.Run<T>方法来创建我们自己的Task。它会将某个特殊的方法放入位于ThreadPool的执行队列中，然后会为这些方法返回一个task句柄。下面的步骤将会为你展示我们如何为一个同步方法创建异步的Task的:

1. 我们有一个同步的方法，需要耗费一些时间来执行完毕：

   static string Greeting(string name)
   {
        Thread.Sleep();
        return string.Format("Hello, {0}", name);
    }

1. 为了让此方法一步执行，我们需要对其进行异步方法的包装。这个异步方法我们暂定为“GreetingAsync“。

static Task<string> GreetingAsync(string name)
{
      return Task.Run<string>(() =>
                      {
                           return Greeting(name);
                       });
}
 

现在我们可以使用await关键字来调用GreetingAsync方法

private asyncstatic void CallWithAsync()
 {
      //some other tasks
      string result = awaitGreetingAsync("Bulbul");
     //We can add  multiple ‘await’ in same ‘async’ method
     //string result1 = await GreetingAsync(“Ahmed”);
     //string result2 = await GreetingAsync(“Every Body”);
     Console.WriteLine(result);
 }

当“CallWithAsync”方法被调用的时候，它首先像正常的同步方法被调用，直到遇到await关键字。当它遇到await关键字的时候，它会暂定方法的执行，然后等待“GreetingAsync(“Bulbul”)”方法执行完毕。在此期间，这个控制流程会返回到“CallWithAsync”方法上，然后调用者就可以做其他的任务了。

当“GreetingAsync(“Bulbul”)”方法执行完毕以后，“CallWithAsync”方法就会唤醒在await关键字后面的其他的方法，所以在这里它会继续执行“Console.WriteLine(result)”方法。

1. 任务的继续执行： “ContinueWith”方法则表明任务的持续执行。

private static void CallWithContinuationTask()
   {
        Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");
        t1.ContinueWith(t =>
                          {
                                string result = t.Result;
                                Console.WriteLine(result);
                             });
   }

当我们使用ContinueWith方法的时候，我们无需使用await关键字。因为编译器会自动的将await关键字放到正确的位置上。

等待多个异步方法

让我们先看下面的代码：

  private asyncstatic void CallWithAsync()
      {
            string result = awaitGreetingAsync("Bulbul");
            string result1 = awaitGreetingAsync("Ahmed");
            Console.WriteLine(result);
            Console.WriteLine(result1);
   }

在这里，我们在顺序的等待两个方法被执行。GreetingAsync("Ahmed")方法将会在GreetingAsync("Bulbul")执行后，再执行。但是，如果result和result1彼此不是独立的，那么await关键字这样用是不合适的。

在上面的场景中，我们其实是无需使用await关键字的。所以方法可以被改成如下的样子：

 private async static void MultipleAsyncMethodsWithCombinators()
       {

            Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");
            Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed");
            await Task.WhenAll(t1, t2);
            Console.WriteLine("Finished both methods.\n " +
                        "Result 1: {0}\n Result 2: {1}", t1.Result, t2.Result);
    }

在这里我们用了Task.WhenAll方法，它主要是等待所有的Task都完成工作后再触发。Task类还有另一个方法：WhenAny，它主要是等待任何一个Task完成就会触发。

异常处理

当进行错误处理的时候，我们不得不将await关键字放到try代码块中。

private asyncstatic void CallWithAsync()
{
       try
       {
            string result = awaitGreetingAsync("Bulbul");
       }
       catch (Exception ex)
        {
          Console.WriteLine(“handled {}”, ex.Message);
        }
}

但是，如果我们有多个await关键字存在于try代码快中，那么只有第一个错误被处理，因为第二个await是无法被执行的。如果我们想要所有的方法都被执行，甚至当其中一个抛出异常的时候，我们不能使用await关键字来调用他们，我们需要使用Task.WhenAll方法来等待所有的task执行。

private asyncstatic void CallWithAsync()
              {
                 try
                   {

                       Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");

                      Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed");

                      await Task.WhenAll(t1, t2);
                  }
               catch (Exception ex)
               {
               Console.WriteLine(&ldquo;handled {}&rdquo;, ex.Message);
             }
       }

尽管所有的任务都会完成，但是我们可以从第一个task那里看到错误。虽然它不是第一个抛出错误的，但是它是列表中的第一个任务。

如果想要从所有的任务中获取错误，那么有一个方式就是将其在try代码块外部进行声明。然后检查Task方法的“IsFaulted”属性。如果有错误抛出，那么其“IsFaulted”属性为true。

示例如下：

 static async void ShowAggregatedException()
           {
              Task taskResult = null;
              try
             {
                  Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");
                  Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed");
                  await (taskResult = Task.WhenAll(t1, t2));
           }
          catch (Exception ex)
          {
             Console.WriteLine("handled {0}", ex.Message);
             foreach (var innerEx in taskResult.Exception.InnerExceptions)
            {
               Console.WriteLine("inner exception {0}", nnerEx.Message);
           }
        }
  }
 

Task的取消执行

如果直接使用ThreadPool中的Thread，我们是无法进行取消操作的。但是现在Task类提供了一种基于CancellationTokenSource类的方式来取消任务的执行，可以按照如下步骤来进行：

1. 异步方法需要附带一个“CancellationToken”类型。
2. 创建CancellationTokenSource类的实例：
3. 将CancellationToken传递给异步方法：
4. 对于长时间执行的方法，如果想取消的话，我们需要调用CancellationToken的ThrowIfCancellationRequested方法。
5. 捕捉Task抛出的 OperationCanceledException。
6. 现在，如果我们通过调用CancellationTokenSource的cancel方法来取消当前的操作的话，对于那些长时间运行的操作，将会抛出OperationCanceledException错误。我们也可以通过设置超时时间来取消任务。更多关于CancellationTokenSource类的信息，请移步：https://msdn.microsoft.com/en-us/library/system.threading.cancellationtokensource%28v=vs.110%29.aspx

var cts = new CancellationTokenSource();
     Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul", cts.Token);
static string Greeting(string name, CancellationToken token)
{
    Thread.Sleep();
    token.ThrowIfCancellationRequested();
    return string.Format("Hello, {0}", name);
}

下面让我们看看如何设置超时时间来取消任务的执行：

static void Main(string[] args)
        {
            CallWithAsync();
            Console.ReadKey();
        }

        async static void CallWithAsync()
        {
            try
            {
                CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();
                source.CancelAfter(TimeSpan.FromSeconds());
                var t1 = await GreetingAsync("Bulbul", source.Token);
            }
            catch (OperationCanceledException ex)
            {
                Console.WriteLine(ex.Message);
            }
        }

        static Task<string> GreetingAsync(string name, CancellationToken token)
        {
            return Task.Run<string>(() =>
            {
                return Greeting(name, token);
            });
        }

        static string Greeting(string name, CancellationToken token)
        {
            Thread.Sleep();
            token.ThrowIfCancellationRequested();
            return string.Format("Hello, {0}", name);
        }
 

并行编程

在.net 4.5中，存在一个叫做“Parallel”的类，这个类可以进行并行操作。当然这种并行和那些充分利用cpu计算能力的Thread 是有差别的，简单说起来，它有两种表现方式：

1.数据并行。 如果我们有很多的数据需要计算，我们需要他们并行的进行，那么我们可以使用For或者ForEach方法来进行：

ParallelLoopResult result =
                    Parallel.For(, , async (int i) =>
                    {
                        Console.WriteLine("{0}, task: {1}, thread: {2}", i,
                        Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
                        await Task.Delay();

              });

如果我们在计算的过程中，想要中断并行，我们可以把ParallelLoopState当做参数传递进去，我们就可以实现认为和中断这种循环：

ParallelLoopResult result =
                    Parallel.For(, , async (int i, ParallelLoopState pls) =>
                    {
                        Console.WriteLine("{0}, task: {1}, thread: {2}", i,
                        Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
                        await Task.Delay();
                        if (i > ) pls.Break();
              });

需要注意的是，当我们需要中断循环的时候，由于其运行在诸多个线程之上，如果线程数多于我们设定的中断数时，上述的执行可能就不太准确。

1. 任务并行。如果我们想要多个任务并行处理，那么我们可以使用Parallel.Invoke方法来接受Action委托数组。例如：

static void ParallelInvoke()
{
   Parallel.Invoke(MethodOne, MethodTwo);
}

参考文章：http://www.codeproject.com/Articles/996857/Asynchronous-programming-and-Threading-in-Csharp-N?bmkres=exist#_articleTop