C#:异步编程和线程的使用(.NET 4.5 )

异步编程和线程处理是并发或并行编程非常重要的功能特征。为了实现异步编程,可使用线程也可以不用。将异步与线程同时讲,将有助于我们更好的理解它们的特征。

本文中涉及关键知识点

1. 异步编程

2. 线程的使用

3. 基于任务的异步模式

4. 并行编程

5. 总结

  • 异步编程

什么是异步操作?异步操作是指某些操作能够独立运行,不依赖主流程或主其他处理流程。通常情况下,C#程序从Main方法开始,当Main方法返回时结束。所有的操作都是按顺序执行的。执行操作是有序列的,一个操作必须等到其前面的操作完成才能够执行。如以下代码示例:

   1:  static void Main(string[] args)
   2:   
   3:  {
   4:   
   5:  DoTaskOne();
   6:   
   7:  DoTaskTwo();
   8:   
   9:  }

“DoTaskOne”方法结束后,DoTaskTwo()才能够执行。

异步编程中常用后台运行的方法体现,主调用线程不会被阻塞。调用后台运行的方法后,执行流程会立即返回到调用的线程并继续执行其他任务。后台运行方法通常是用线程或任务来实现。

在上面的例子中,在“DoTaskOne”方法调用成功后,如果“DoTaskOne”是异步调用,,执行流程立即返回到Main方法中,并继续执行“DoTaskTwo” 方法。

C#提供了Thread类创建线程实现异步编程,或者使用.NET提供的异步模式实现异步编程。.NET中提供了三种不同的异步模式:

1. 异步编程模型(APM)模式

2. 基于事件的异步模式(EAP)

3. 基于任务的异步模式(TAP)

前两种模型微软官方并不推荐使用,本文不再详细描述。我们将详细讨论基于任务的异步模式(TAP):

  • 线程的使用

在.NET 4.5中引入了异步编程模式,大部分情况下都不需要我们手动创建线程。编译器已经替代了开发人员来完成这项工作。

创建新线程是非常耗时的。一般情况下,异步和并行编程使用 “基于任务的异步模式(TAP)”和“任务并行库(TPL)”就够了。如果需要控制线程的功能则需要使用其他模式。

TAP和TPL都是基于任务。一般来说任务是从线程池中调用线程( 线程池.NET框架创建的和维护的线程集。如果我们使用任务,就不需要直接调用线程池。

任务可以在以下情况运行:

1. 在正在运行的线程中

2. 在新线程中

3. 从线程池中的某一线程中

4. 没有线程也可以运行

如果使用任务机制,开发人员就不必担心线程的创建或使用,.NET框架已经为我们解决了这一难题。

有时候需要控制线程,执行以下操作:

1. 设置线程名称

2. 设置线程优先级

3. 设置线程是前端或后端运行

我们可以使用线程类来创建线程。

使用Thread类创建线程

Thread类的构造函数接收委托类型的参数

1. ThreadStart:定义了返回值为空的方法,且不带参数的方法。

2. ParameterizedThreadStart:定义了返回值为空且有一个object类型的参数。

下面是一个简单的例子,使用 Start方法启动一个新线程:

   1:  static void Main(string[] args)
   2:   
   3:  {
   4:   
   5:  Thread thread = new Thread(DoTask);
   6:   
   7:  thread.Start();// Start DoTask method in a new thread
   8:   
   9:  //Do other tasks in main thread
  10:   
  11:  }
  12:   
  13:  static public void DoTask() {
  14:   
  15:  //do something in a new thread 
  16:   
  17:  }

可以用Lamda表达式代替线程名称:

   1:  static void Main(string[] args)
   2:   
   3:  {
   4:   
   5:  Thread thread = new Thread(() => {
   6:   
   7:  //do something in a new thread
   8:   
   9:  });
  10:   
  11:  thread.Start();// Start a new thread
  12:   
  13:  //Do other tasks in main thread
  14:   
  15:  }

如果不需要引用变量,可如下直接启动线程:

   1:  static void Main(string[] args)
   2:   
   3:  {
   4:   
   5:  new Thread(() => {
   6:   
   7:  //do something in a new thread
   8:   
   9:  }).Start();// Start a new thread
  10:   
  11:  //Do other tasks in main thread
  12:   
  13:  }

但是,如果想控制线程对象,对线程设置一些属性,需要在线程创建后引用线程变量。如下可给线程对象的不同属性设值:

   1:  static void Main(string[] args)
   2:   
   3:  {
   4:   
   5:  Thread thread = new Thread(DoTask);
   6:   
   7:  thread.Name = "My new thread";// Asigning name to the thread
   8:   
   9:  thread.IsBackground = false;// Made the thread forground
  10:   
  11:  thread.Priority = ThreadPriority.AboveNormal;// Setting thread priority
  12:   
  13:  thread.Start();// Start DoTask method in a new thread
  14:   
  15:  //Do other task in main thread
  16:   
  17:  }

调用引用变量,可以执行一些操作如中止线程或通过调用join方法等待阻塞线程。

如果需要通过函数传值,可以给Start方法传值。由于该方法的参数为Object类型,因此需要强制转换类型。

   1:  static void Main(string[] args)
   2:   
   3:  {
   4:   
   5:  Thread thread = new Thread(DoTaskWithParm);
   6:   
   7:  thread.Start("Passing string");// Start DoTaskWithParm method in a new thread
   8:   
   9:  //Do other task in main thread
  10:   
  11:  }
  12:   
  13:  static public void DoTaskWithParm(object data)
  14:   
  15:  {
  16:   
  17:  //we need to cast the data to appropriate object
  18:   
  19:  }

“async”和“await”关键字

.NET框架引入了两个新的关键字来实现异步编程:“async”和“await”。使用 “await”的异步方法必须由“async”修饰符来声明方法。“await”关键字修饰调用异步方法。await 运算符应用于一个异步方法中的任务以挂起该方法的执行,直到等待任务完成.如下: 

   1:  private async static void CallerWithAsync()// async modifier is used 
   2:   
   3:  { 
   4:   
   5:  string result = await GetSomethingAsync();// await is used before a method call. It suspends
   6:     //execution of CallerWithAsync() method and control returs to the calling thread that can 
          //perform other task. 
   7:   
   8:  Console.WriteLine(result);
   9:     // this line would not be executed before GetSomethingAsync() //method completes 
  10:   
  11:  } 

而“ async ”修饰符只能用于返回值为Task类型或Void的方法。它不能用于主程序的切入点。

所有的方法之前不能使用await关键字,使用“await”关键字方法必须返回 “可等待”类型。以下属于“可等待”类型:

1. Task

2. Task<T>

3. 自定义“可等待”类型。

  • 基于任务的异步模式

首先我们需要声明一个返回类型为Task或Task<T>的异步方法。可以通过以下几种方式创建任务:

1. Task.Factory.StartNew方法:在之前的.NET版本(在.NET 4中),是创建和启动任务的主要方法。

2. Task.Run或Task.Run <T>方法:从.NET 4.5这个方法已经被使用。此方法足以满足常见情况。

3. Task.FromResult方法:如果结果是已计算,就可以用这个方法来创建任务。

创建并等待一个任务

使用Task.Run <T>方法创建Task。该方法将特定工作按顺序排列在线程池中运行,并返回工作的任务句柄。需要以下步骤从同步方法中创建异步任务:

1. 假设下面方法是同步的,但需要一定的时间来完成:

   1:  static string Greeting(string name) 
   2:   
   3:  { 
   4:   
   5:  Thread.Sleep(3000); 
   6:   
   7:  return string.Format("Hello, {0}", name); 
   8:   
   9:  } 

2. 要以异步方式访问此方法,必须以异步方式封装。命名为“GreetingAsync”。增加“Async”的后缀命名异步方法。

   1:  static Task<string> GreetingAsync(string name) 
   2:   
   3:  { 
   4:   
   5:  return Task.Run<string>(() => 
   6:   
   7:  { 
   8:   
   9:  return Greeting(name); 
  10:   
  11:  }); 
  12:   
  13:  } 

3.现在,可通过使用的await关键字调用异步方法GreetingAsync

   1:  private async static void CallWithAsync() 
   2:   
   3:  { 
   4:   
   5:  //some other tasks 
   6:   
   7:  string result = await GreetingAsync("Bulbul"); 
   8:   
   9:  //We can add multiple “await” in same “async” method 
  10:   
  11:  //string result1 = await GreetingAsync(“Ahmed”); 
  12:   
  13:  //string result2 = await GreetingAsync(“Every Body”); 
  14:   
  15:  Console.WriteLine(result); 
  16:   
  17:  } 

当“CallWithAsync”方法被调用时,与常规的同步方法一样执行,直到遇到“await”的关键字。当它执行到 await的关键字会处理执行,并开始等待“GreetingAsync(” Bulbul “)” 方法被完成。同时,程序流将返回” CallWithAsync “方法的调用者,并继续执行调用者的任务。

当“GreetingAsync(" Bulbul ") 方法完成,“CallWithAsync”的方法恢复 “await关键字后的其他任务。在本实例中,将继续执行的代码“Console.WriteLine(result)”

4. 使用任务持续:Task类 “ContinueWith”的方法定义了Task完成后被调用的代码。

   1:  private static void CallWithContinuationTask() 
   2:   
   3:  { 
   4:   
   5:  Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul"); 
   6:   
   7:  t1.ContinueWith(t => 
   8:   
   9:  { 
  10:   
  11:  string result = t.Result; 
  12:   
  13:  Console.WriteLine(result); 
  14:   
  15:  }); 
  16:   
  17:  } 

如果使用“ContinueWith”的方法就不需要使用“await“关键字,编译器会自动在合适的位置中添加“await”关键字。

等候多​​个异步方法。

看看下面的代码:

   1:  private async static void CallWithAsync() 
   2:   
   3:  { 
   4:   
   5:  string result = await GreetingAsync("Bulbul"); 
   6:   
   7:  string result1 = await GreetingAsync(&ldquo;Ahmed&rdquo;); 
   8:   
   9:  Console.WriteLine(result); 
  10:   
  11:  Console.WriteLine(result1); 
  12:   
  13:  }

有两个正在等待调用函数序列。“GreetingAsync(” Ahmed “)” 会在完成第一个呼叫“GreetingAsync(” Bulbul “)” 之后启动。如果“result”和上面的代码“result1”是独立的,那么连续的“awiating”并不是一个好的做法。

在这种情况下,我们可以简化调用方法,不需要添加多个“await”关键字,只在一个地方添加await关键字,如下所示,这种情况下,该方法的调用都可以并行执行。

   1:  private async static void MultipleAsyncMethodsWithCombinators() 
   2:   
   3:  { 
   4:   
   5:  Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul"); 
   6:   
   7:  Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed"); 
   8:   
   9:  await Task.WhenAll(t1, t2); 
  10:   
  11:  Console.WriteLine("Finished both methods.\n " + 
  12:   
  13:  "Result 1: {0}\n Result 2: {1}", t1.Result, t2.Result); 
  14:   
  15:  } 

在这里,我们使用Task.WhenAll连接器。Task.WhenAll创建一个任务,将完成所有的提供的任务。Task类也有其他的结合器。Task.WhenAny,当所任务链中所有的任务完成时,结束使用。

处理异常

必须把“await的代码块放在try块内捕获异常。

   1:  private async static void CallWithAsync() 
   2:   
   3:  { 
   4:   
   5:  try 
   6:   
   7:  { 
   8:   
   9:  string result = await GreetingAsync("Bulbul"); 
  10:   
  11:  } 
  12:   
  13:  catch (Exception ex) 
  14:   
  15:  { 
  16:   
  17:  Console.WriteLine(&ldquo;handled {0}&rdquo;, ex.Message); 
  18:   
  19:  } 
  20:   
  21:  } 

如果try块中有多个“await”,只有第一个” await“异常会被处理,其他“await”将无法被捕捉。如果希望所有的方法都能捕获异常,不能使用“await”关键字调用方法,使用Task.WhenAll来执行任务。

   1:  private async static void CallWithAsync() 
   2:   
   3:  { 
   4:   
   5:  try 
   6:   
   7:  { 
   8:   
   9:  Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul"); 
  10:   
  11:  Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed"); 
  12:   
  13:  await Task.WhenAll(t1, t2); 
  14:   
  15:  } 
  16:   
  17:  catch (Exception ex) 
  18:   
  19:  { 
  20:   
  21:  Console.WriteLine(&ldquo;handled {0}&rdquo;, ex.Message); 
  22:   
  23:  } 
  24:   
  25:  } 

捕获所有任务的错误一种方法是在try块之外声明任务,这样可以从try块进行访问,并检查任务的“IsFaulted”属性。如果它存在异常那么“IsFaulted”属性值为True,就可捕获任务实例的内部异常。

还有另一个更好的办法:

   1:  static async void ShowAggregatedException() 
   2:   
   3:  { 
   4:   
   5:  Task taskResult = null; 
   6:   
   7:  try 
   8:   
   9:  { 
  10:  Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul"); 
  11:   
  12:  Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed"); 
  13:   
  14:  await (taskResult = Task.WhenAll(t1, t2)); 
  15:   
  16:  } 
  17:   
  18:  catch (Exception ex) 
  19:   
  20:  { 
  21:   
  22:  Console.WriteLine("handled {0}", ex.Message); 
  23:   
  24:  foreach (var innerEx in taskResult.Exception.InnerExceptions) 
  25:   
  26:  { 
  27:  Console.WriteLine("inner exception {0}", nnerEx.Message); }
  28:  } 
  29:   
  30:  } 

取消任务

在此之前,如果从线程池中调用线程,线程是不可能取消。现在,Task类提供了一个方法基于CancellationTokenSource类能够取消已启动的任务,取消任务步骤:

1. 异步方法应该除外 “ CancellationToken” 参数类型

2. 创建CancellationTokenSource类实例:

    var cts =new CancellationTokenSource();

3. 传递CancellationToken,如:

   1:    Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul", cts.Token);

4. 长时间运行的方法中,必须调用CancellationToken 的ThrowIfCancellationRequested()方法

   1:   static string Greeting(string name, CancellationToken token){ 
   2:   
   3:  Thread.Sleep(3000); 
   4:   
   5:  token. ThrowIfCancellationRequested(); 
   6:   
   7:  return string.Format("Hello, {0}", name); 
   8:   
   9:  } 

5. 从等待的Task中捕获 OperationCanceledException异常。

 6. 如果通过调用CancellationTokenSource的实例的方法执行取消操作,将从长时间运行操作中抛出OperationCanceledException异常。也可以设置取消的时间。以下是完整的代码,一秒后执行取消操作:

   1:   static void Main(string[] args) 
   2:   
   3:   { 
   4:   CallWithAsync(); 
   5:   
   6:  Console.ReadKey(); 
   7:   
   8:   } 
   9:   
  10:   
  11:  async static void CallWithAsync() 
  12:   
  13:  { 
  14:   
  15:  try 
  16:   
  17:   { 
  18:   
  19:  CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource(); 
  20:   
  21:  source.CancelAfter(TimeSpan.FromSeconds(1)); 
  22:   
  23:   var t1 = await GreetingAsync("Bulbul", source.Token); 
  24:   } 
  25:   
  26:   catch (OperationCanceledException ex) 
  27:   
  28:  { 
  29:   
  30:   Console.WriteLine(ex.Message); 
  31:   
  32:   } 
  33:   
  34:   } 
  35:   
  36:  static Task<string> GreetingAsync(string name, CancellationToken token) 
  37:   
  38:   { 
  39:   
  40:   return Task.Run<string>(() => 
  41:   
  42:   { 
  43:   
  44:   return Greeting(name, token); 
  45:   
  46:   }); 
  47:  } 
  48:   
  49:   
  50:   static string Greeting(string name, CancellationToken token) 
  51:   
  52:   { 
  53:   
  54:  Thread.Sleep(3000); 
  55:   token.ThrowIfCancellationRequested(); 
  56:   
  57:   return string.Format("Hello, {0}", name); 
  58:   
  59:   } 
  60:   
  • 并行编程

.NET 4.5及以上版本推出“Parallel类,是线程类的抽象。使用“Parallel”类,我们可以实现并行。并行与线程不同,它使用所有可用的CPU或内核的。以下两种类型的并行是可行:

  1. 数据并行:如果我们有数据的大集合,我们希望在每个数据的某些操作进行并行使用,那么就可以使用数据并行。Parallel类有静态For或ForEach来执行数据并行行,如
   1:  ParallelLoopResult result =
   2:                      Parallel.For(0, 100, async (int i) =>
   3:                      {
   4:                          Console.WriteLine("{0}, task: {1}, thread: {2}", i,
   5:                          Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
   6:                          await Task.Delay(10);
   7:                         
   8:                });

For或ForEach方法可以在多线程中和且索引无序可以是无序的。

如果想停止并行For或ForEach方法,可通过ParallelLoopState作为参数,并根据需要打破循环的状态,跳出循环。

   1:  ParallelLoopResult result =
   2:                      Parallel.For(0, 100, async (int i, ParallelLoopState pls) =>
   3:                      {
   4:                          Console.WriteLine("{0}, task: {1}, thread: {2}", i,
   5:                          Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
   6:                          await Task.Delay(10);
   7:                          if (i > 5) pls.Break();
   8:                });

     2. 任务并行:如果想要同时运行多个任务的,我们可以通过调用Parallel类的invoke方法使用任务并行Parallel.Invoke方法接收委托行为的数组。例如:

   1:  static void ParallelInvoke() 
   2:   
   3:  { 
   4:   
   5:  Parallel.Invoke(MethodOne, MethodTwo); 
   6:   
   7:  } 
   8:   

  • 结论

本文详细介绍了.NET Framework 4.5提供的异步编程技术及细节。

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