.NET中的异步编程上

开篇

异步编程是程序设计的重点也是难点，还记得在刚开始接触.net的时候，看的是一本c#的Winform实例教程，上面大部分都是教我们如何使用Winform的控件以及操作数据库的实例，那时候做的基本都是数据库的demo，数据量也不大，程序在执行的时候基本上不会出现阻塞的情况。随着不断的深入.net，也开始进入的实战，在实际的项目，数据量往往都是比较大，特别是在大量的数据入库以及查询数据并进行计算的时候，程序的UI界面往往卡死在那里，发生了阻塞，这时候就需要对计算时间限制的过程进行异步处理，让UI线程继续相应用户的操作，使得用户体验表现比较友好，同时正确的使用异步编程去处理计算限制的操作和耗时IO操作还能提升的应用程序的吞吐量及性能。由此可见，异步编程的重要性。

异步编程在程序设计中也是非常复杂的，稍有不慎，就会使得你的应用程序变得不稳定，出现异常，甚至会奔溃。但是，比较幸运的是，.net提供非常方便的框架来进行异步编程，在我看来.net中实现异步有两种方式，第一种是多线程的方式，第二种是使用异步函数，其实在异步函数中使用的还是多线程的技术。接下来就介绍在.net中如何使用多线程和异步函数来解决计算限制、耗时等这些不友好用户体验的问题。

异步编程中比较关心，也是比较重要的技术点在于，1）当异步线程在工作完成时如何通知调用线程，2）当异步线程出现异常的时候该如何处理，3）异步线程工作的进度如何实时的通知调用线程。4）如何在调用线程中取消正在工作的异步线程，并进行回滚操作。

一、异步函数模型

c#中提供异步函数编程模式，只要是使用委托对象封装的函数都可以实现该函数的异步调用，这是因为委托类型有BeginInvoke和EndInvoke这两个方法来支持异步调用。

下面给出一个例子来讲解如何使用委托的来实现异步调用函数。

class Program
    {        public delegate void DoWork();        static void Main(string[] args)
        {
            DoWork d = new DoWork(WorkPro);//no.1 
            d.BeginInvoke(null, null);//no.2
            for (int i = 0; i < 100; i++)//no.3            {
                Thread.Sleep(10);//主线程需要做的事            }
            Console.WriteLine("主线程done");
            Console.ReadKey();
        }        public static void WorkPro()
        {            //做一些耗时的工作
            Thread.Sleep(2000);
            Console.WriteLine("异步调用结束");
        }
    }

程序定义了一个DoWork类型无参无返回值的的委托类型，no.1用WorkPro方法实例化一个DoWork类型的对象d ，no.2通过委托对象d的BeginInvoke(null,null)（下面将会详细介绍BeginInvoke函数中两个参数如何使用）来实现WorkPro函数的异步调用，这样就使得no.3主线程所做的for循环和WorkPro函数可以同时执行，这样使得程序的运行效率得到了大幅度的提升。如果程序是同步执行的话，假设WorkPro函数执行需要2秒，for需要1秒，总共执行时间就需要3秒，如果WorkPro是异步执行的话，那么整个程序执行完毕只需要2秒就够了。

------

上面这个例子只是简单演示了如何通过委托来实现函数的异步调用，而没有传递给该异步函数任何的参数，也不需要获取该异步函数的结果。如果主线需要传递给该异步函数一个参数，并且还要在该异步函数执行完毕之后获取其执行结果，那应该如何实现呢？

 class Program
    {        public delegate int DoWord(int count);        static void Main(string[] args)
        {
            DoWord d = new DoWord(WorkPro);
            IAsyncResult r= d.BeginInvoke(1000,null,null);//no.1
            int result= d.EndInvoke(r);//no.2            Console.WriteLine(result);            for (int i = 0; i < 100; i++)//no.3            {
                Thread.Sleep(10);//主线程需要做的事            }
            Console.WriteLine("主线程done");
            Console.ReadKey();
        }        public static int WorkPro(int count)
        {            int sum = 0;            //做一些耗时的工作
            for (int i = 0; i < count; i++)
            {
                sum += i;
            }            return sum;        
        }
    } 

我们已经把委托类型改为具有一个int类型的参数和int类型返回值。在这里解释一下，每当你的编译器发现定义了一个委托类型，就会对应的生成一个类型，并且该类型BeginInvoke方法的参数个数也是不同的，本例声明的委托类型为：

public delegate int DoWord(int count);

实际生成的BeginInvoke原型为：IAsyncResult BeginInvoke(int count, AsyncCallBack callback, object @object)

在no.1处还是和第一个例子一样调用委托，不同的是用IAsyncResult接口的变量接收了异步调用（并不是异步函数）的返回状态，这是方便后面调用EndInvoke方法接受这个异步函数调用结果而使用的，也可以通过该参数查看异步函数执行的状态，该接口有一个IsCompleted的属性。在no.2处使用d.EndInvoke(r)来接受异步函数返回值的。必须指出的是，主线程在调用委托的EndInvoke(r)方法时，当异步函数没有执行完毕的话，主线程会一直处于阻塞，等待异步函数执行完毕，获取返回值之后才执行no.3的for循环。这样就还会导致主线程处于阻塞状态。

理想的状态的是，当异步函数调用完成之后，自动通知任务执行完成。当然委托也能够做到，这就要使用BeginInvoke方法的后两个参数啦。看下面这个例子。

class Program
    {        public delegate int DoWord(int count);        static void Main(string[] args)
        {
            DoWord d = new DoWord(WorkPro);
            IAsyncResult r= d.BeginInvoke(100,CallBack ,d);//no.1
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                Thread.Sleep(10);//主线程需要做的事            }
            Console.WriteLine("主线程done");
            Console.ReadKey();
        }        public static int WorkPro(int count)
        {            int sum = 0;            //做一些耗时的工作
            for (int i = 0; i < count; i++)
            {
                sum += i;
                Thread.Sleep(10);
            }            return sum;        
        } 
        public static void CallBack(IAsyncResult r)
        {
            DoWord d = (DoWord)r.AsyncState;
            Console.WriteLine("异步调用完成，返回结果为{0}", d.EndInvoke(r));
        }
    }

首先来解释一下BeginInvoke方法的第二个参数是AsyncCallBack 类型的委托（回调函数），当该参数不为空，那么在异步函数执行完毕之后，会调用该委托；第三个参数Object 类型的，代表传递给回调函数的异步调用状态。CallBack回调函数必须带有一个IAsyncResult 类型的参数，通过这个参数可以在回调方法内部获取异步调用的结果。在no.1出就给BeginInvoke函数传递了回调函数CallBack，和委托d，当异步数WorkPro执行完毕之后，就立即通知CallBack回调函数来显示执行结果。这下主线程就不需要阻塞一直的等待异步函数的结果，大大的提升了程序的运行效率。在.net还提供许多类的BeinXXX()和EndXXX()的异步版本，比如文件的读写等，具体可以查阅相关的资料。

其中异步函数内部所使用的线程均是线程池中的工作线程，由线程池去分配管理的。

二、多线程模型

.net在System.Threading和System.Threading.Tasks这两个命名空间中提供了Thread，ThreadPool，和Task三个类来处理多线程的问题，其中Thread是建立一个专用线程，ThreadPool是使用线程池中工作线程，而Task类是采用任务的方式，其内部也是使用线程池中的工作线程。本节只讲Tread类和Tasks类的使用以及其优劣。

1、Thread类

Thread类的使用方法很简单，它开辟的是一个专用线程，不是线程池中的工作线程，不由线程池去管理。该类提供4个重载版本，常见的使用前面两个就好了。

1）public Thread( ThreadStart start )：其中ThreadStart是一个无参无返回值的委托类型。

2）public Thread( ParameterizedThreadStart start )：其中ParameterizedThreadStart 是一个带有一个Object类型的参数，无返回值的委托类型。

从Thread类提供了两个构造函数可以看出，Thread类能够异步调用无参无返回值的函数，也能够异步调用带一个Object类型的无返回值的函数。下面就给出一个例子简单的演示一下如何使用Thread异步执行一个带参数的函数。

class Program
    {        static void Main(string[] args)
        {
            Thread t = new Thread(WorkPro);//no.1
            t.IsBackground = true;//no.2
            t.Start(1000);//no.3        }        public static void WorkPro(object  t)
        {            //做一些耗时的工作   
            int count=(int)t;            for (int i = 0; i < count; i++)
            {
                Thread.Sleep(2000);
            }
 
            Console.WriteLine("任务处理完成");
        }
    }

no.1实例化一个Thread对象，给传入一个ParameterizedThreadStart 类型的委托；no.2将建立的专用线程设置为后台的任务线程（后台线程会随着调用线程（即使任务没完成）的终止而强制终止，而前台线程如果任务没有处理完，是不会随着调用线程的终止而终止的）；no.3调用Start(1000)方法，其中1000是传递给异步执行函数的参数。记住，如果构造Thread对象是ThreadStart委托，那么Start()就直接调用，否则会出现异常。只需要简单的几行代码就能实现函数的异步调用。

其中，当异步函数中处理需要多个参数时，那么只需要建立一个参数类，参数类中包括你函数需要的参数个数，然后将这个参数类传递给异步函数即可。

Thread类的使用虽然简单，但是它还是有一定的劣势的，一般不推荐使用。

1）Thread类创建的是一个专用线程，建立一个专用线程是非常耗用系统的资源，建议是使用线程池中的线程。

2）Thread类不能很好的和调用线程进行交互，当任务完成时不能及时的通知，在调用线程也不能随时的取消正在进行的任务。

另外在以下情况下，就只能选择使用Thread类了。

1）执行任务的线程要以非普通的优先级去执行，因为线程池的线程都是以普通优先级运行的。

2）执行任务的线程要表现为一个前台线程，因为线程池的线程始终都是一个后台线程。

3）异步执行的任务需要长时间的，那么就可以使用Thread类为该任务建立一个专用线程。