C#复习笔记（5）--C#5：简化的异步编程（异步编程的基础知识）

2023-03-05 12:20:10

异步编程的基础知识

C#5推出的async和await关键字使异步编程从表面上来说变得简单了许多，我们只需要了解不多的知识就可以编写出有效的异步代码。

在介绍async和await之前，先介绍一些基础的概念：

并发：同时做很多事情。

这个解释直接表明了并发的作用。终端用户程序利用并发功能，在输入数据库的同时响应用户输入。服务器应用利用并发，在处理第一个请求的同时响应第二个请求。只要你希望程序同时做多件事情，你就需要并发。几乎每个软件程序都会受益于并发。

多线程：并发的一种形式，它采用多个线程来执行程序。

从字面上看，多线程就是使用多个线程。本书后续章节将介绍，多线程是并发的一种形式，但不是唯一的形式。实际上，直接使用底层线程类型在现代程序中基本不起作用。比起老式的多线程机制，采用高级的抽象机制会让程序功能更加强大、效率更高。因此，本书将尽量不涉及一些过时的技术。书中所有多线程的方法都采用高级类型，而不是Thread或BackgroundWorker。但是，不要认为多线程已经彻底被淘汰了！因为线程池要求多线程继续存在。线程池存放任务的队列，这个队列能够根据需要自行调整。相应地，线程池产生了另一个重要的并发形式：并行处理。

并行处理：把正在执行的大量的任务分割成小块，分配给多个同时运行的线程。

为了让处理器的利用效率最大化，并行处理（或并行编程）采用多线程。当现代多核CPU执行大量任务时，若只用一个核执行所有任务，而其他核保持空闲，这显然是不合理的。并行处理把任务分割成小块并分配给多个线程，让它们在不同的核上独立运行。并行处理是多线程的一种，而多线程是并发的一种。在现代程序中，还有一种非常重要但很多人还不熟悉的并发类型：异步编程。

异步编程：并发的一种形式，它采用future模式或回调（callback）机制，以避免产生不必要的线程。

一个future（或promise）类型代表一些即将完成的操作。在.NET中，新版future类型有Task和Task<TResult>。在老式异步编程API中，采用回调或事件（event），而不是future。异步编程的核心理念是异步操作：启动了的操作将会在一段时间后完成。这个操作正在执行时，不会阻塞原来的线程。启动了这个操作的线程，可以继续执行其他任务。当操作完成时，会通知它的future，或者调用回调函数，以便让程序知道操作已经结束。异步编程是一种功能强大的并发形式，但直至不久前，实现异步编程仍需要特别复杂的代码。VS2012支持async和await，这让异步编程变得几乎和同步（非并发）编程一样容易。

异步编程简介

异步编程的执行流程

现代的异步.NET程序使用两个关键字：async和await。async关键字加在方法声明上，它的主要目的是使方法内的await关键字生效（为了保持向后兼容，同时引入了这两个关键字）。如果async方法有返回值，应返回Task<T>；如果没有返回值，应返回Task。这些task类型相当于future，用来在异步方法结束时通知主程序。还有一种是返回void，这种就是存粹的为了兼容事件处理程序。所以，除了用于注册实践处理程序，不建议在别的地方使用返回void的异步代码。

先来看一个例子：

 async Task AsyncMethod()

        {

            Console.WriteLine("Sync execute before await");//①同步执行的代码

            await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds());//②异步等待，非阻塞

            Console.WriteLine("callback method");//③任务的延续

        }

和其他方法一样，async方法在开始时以同步方式执行①。在async方法内部，await关键字对它的参数执行一个异步等待②。它首先检查操作是否已经完成，如果完成了，就继续运行（同步方式）。否则，它会暂停async方法，并返回，留下一个未完成的task（token）。一段时间后，操作完成，async方法就恢复运行③。就是这么简单。编译器在后面帮助我们做了大量的工作。在后续的章节中，会详细介绍编译器的所作所为。

同步上下文：一个async方法是由多个同步执行的程序块组成的，每个同步程序块之间由await语句分隔②。第一个同步程序块在调用这个方法的线程中运行，但其他同步程序块在哪里运行呢？情况比较复杂。最常见的情况是，用await语句等待一个任务完成，当该方法在await处暂停时，就可以捕捉上下文（context）。如果当前SynchronizationContext不为空，这个上下文就是当前SynchronizationContext。如果当前SynchronizationContext为空，则这个上下文为当前TaskScheduler。该方法会在这个上下文中继续运行③。一般来说，运行UI线程时采用UI上下文，处理ASP.NET请求时采用ASP.NET请求上下文，其他很多情况下则采用线程池上下文。因此，在上面的代码中，每个同步程序块会试图在原始的上下文中恢复运行。如果在UI线程中调用DoSomethingAsync，这个方法的每个同步程序块都将在此UI线程上运行。但是，如果在线程池线程中调用，每个同步程序块将在线程池线程上运行。要避免这种行为，可以在await中使用ConfigureAwait方法，将参数continueOnCapturedContext设为false。接下来的代码刚开始会在调用的线程里运行，在被await暂停后，则会在线程池线程里继续运行。

可等待模式：关键字await不仅能用于Task，还能用于所有遵循特定模式的awaitable类型——在编译器生成的状态机中，有一个MoveNext的方法，在这个方法中会调用await的对象是否有一个GetAwaiter的方法，这个方法是否会返回一个awaiter，awaiter里面是否包含了GetResult方法和IsCompleted属性，awaiter遵循的接口是INotifyCompletion和ICriticalNotifyCompletion，从名字上面来看就知道他们的意思都是发送一个通知。类似的awaitable类型还有YieldAwaitable、ConfiguredTaskAwaitable，awaitable类型的一个特点是有一个GetAwaiter的方法来返回一个awaiter。

迭代器也是类似的原理，并且它出现的更早（C#2)。在foreach循环一个序列的时候，他不要求这个序列必须实现了IEnumerable或者IEnumerable<T>,foreach会寻找这个序列是否有一个GetEnumerator的方法，这个方法是否返回一个Enumerator，这个Enumerator是否包含一个MoveNext方法和一个返回当前元素的Current属性。

处理异常

因为不确定Task的执行线程，所以Task不会主动的抛出异常，在返回的Task中的Status属性上会指示Task的执行结果，Status属性是TaskStatus枚举类型，定义如下：

 public enum TaskStatus

        {

            Created,

            WaitingForActivation,

            WaitingToRun,

            Running,

            WaitingForChildrenToComplete,

            RanToCompletion,

            Canceled,

            Faulted,

        }

Task上面还有一个Exception属性，类型是一个AggregateException。正常情况下，当Task执行顺利完成时，Exception返回null。但Task执行失败时，Exception属性会返回一个AggregateException类型的异常，这个异常包含了Task执行过程中抛出的所有异常。发生异常时，任务结束，不直接抛出异常。只有在使用一个Task的时候，比如Task.Wait()、Task.WhenAll()、等等。还有，在await一个Task的时候，也会抛出异常，但是会抛出AggregateException中的第一个异常。

死锁

关于异步编程还有一个重要的准则就是，在有UI线程的地方，如果你要使用异步编程，就要异步到底，考虑下面的代码：

 async Task WaitAsync()

        {

            //这里awati会捕获当前上下文……

            await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds()); // ……这里会试图用上面捕获的上下文继续执行

        }

        void Deadlock()

        {

            //开始 延迟

            Task task = WaitAsync(); //同步程序块，正在等待异步方法完成

            task.Wait();

        }

上面的代码如果在UI线程或Asp.net 中执行，就会发生死锁，来看看到底发生了什么：这两种上下文每次只能运行一个线程。Deadlock方法调用WaitAsync方法，WaitAsync方法开始调用delay语句。然后，Deadlock方法（同步）等待WaitAsync方法完成，同时阻塞了上下文线程。当delay语句结束时，await试图在已捕获的上下文中继续运行WaitAsync方法，但这个步骤无法成功，因为上下文中已经有了一个阻塞的线程，并且这种上下文只允许同时运行一个线程。这里有两个方法可以避免死锁：在WaitAsync中使用ConfigureAwait(false)（导致await忽略该方法的上下文），或者用await语句调用WaitAsync方法（让Deadlock变成一个异步方法）。

基础的东西就这么多，这个章节里面没有多少例子，不过如果能看懂里面的所有意思，那么编写异步编程也不是什么难事。下面的章节会详细的介绍编译器为async和await所做的所有事情，并会将相关的概念进行进一步的扩展。

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