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異步編程和線程處理是并發(fā)或并行編程非常重要的功能特征。為了實(shí)現(xiàn)異步編程，可使用線程也可以不用。將異步與線程同時(shí)講，將有助于我們更好的理解它們的特征。
本文中涉及關(guān)鍵知識點(diǎn)
1. 異步編程
2. 線程的使用
3. 基于任務(wù)的異步模式
4. 并行編程
5. 總結(jié)
什么是異步操作？異步操作是指某些操作能夠獨(dú)立運(yùn)行，不依賴主流程或主其他處理流程。通常情況下，C＃程序從Main方法開始，當(dāng)Main方法返回時(shí)結(jié)束。所有的操作都是按順序執(zhí)行的。執(zhí)行操作是有序列的，一個(gè)操作必須等到其前面的操作完成才能夠執(zhí)行。如以下代碼示例：
1: static void Main(string[] args)
2:
3: {4:
5: DoTaskOne();
6:
7: DoTaskTwo();
8:
9: }
“DoTaskOne”方法結(jié)束后，DoTaskTwo()才能夠執(zhí)行。
異步編程中常用后臺(tái)運(yùn)行的方法體現(xiàn)，主調(diào)用線程不會(huì)被阻塞。調(diào)用后臺(tái)運(yùn)行的方法后，執(zhí)行流程會(huì)立即返回到調(diào)用的線程并繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。后臺(tái)運(yùn)行方法通常是用線程或任務(wù)來實(shí)現(xiàn)。
在上面的例子中，在“DoTaskOne”方法調(diào)用成功后，如果“DoTaskOne”是異步調(diào)用，，執(zhí)行流程立即返回到Main方法中，并繼續(xù)執(zhí)行“DoTaskTwo” 方法。
C#提供了Thread類創(chuàng)建線程實(shí)現(xiàn)異步編程，或者使用.NET提供的異步模式實(shí)現(xiàn)異步編程。.NET中提供了三種不同的異步模式：
1. 異步編程模型（APM）模式
2. 基于事件的異步模式（EAP）
3. 基于任務(wù)的異步模式（TAP）
前兩種模型微軟官方并不推薦使用，本文不再詳細(xì)描述。我們將詳細(xì)討論基于任務(wù)的異步模式（TAP）：
在.NET 4.5中引入了異步編程模式，大部分情況下都不需要我們手動(dòng)創(chuàng)建線程。編譯器已經(jīng)替代了開發(fā)人員來完成這項(xiàng)工作。
創(chuàng)建新線程是非常耗時(shí)的。一般情況下，異步和并行編程使用 “基于任務(wù)的異步模式（TAP）”和“任務(wù)并行庫（TPL）”就夠了。如果需要控制線程的功能則需要使用其他模式。
TAP和TPL都是基于任務(wù)。一般來說任務(wù)是從線程池中調(diào)用線程（ 線程池是.NET框架創(chuàng)建的和維護(hù)的線程集。如果我們使用任務(wù)，就不需要直接調(diào)用線程池。
任務(wù)可以在以下情況運(yùn)行：
1. 在正在運(yùn)行的線程中
2. 在新線程中
3. 從線程池中的某一線程中
4. 沒有線程也可以運(yùn)行
如果使用任務(wù)機(jī)制，開發(fā)人員就不必?fù)?dān)心線程的創(chuàng)建或使用，.NET框架已經(jīng)為我們解決了這一難題。
有時(shí)候需要控制線程，執(zhí)行以下操作：
1. 設(shè)置線程名稱
2. 設(shè)置線程優(yōu)先級
3. 設(shè)置線程是前端或后端運(yùn)行
我們可以使用線程類來創(chuàng)建線程。
Thread類的構(gòu)造函數(shù)接收委托類型的參數(shù)
1. ThreadStart：定義了返回值為空的方法，且不帶參數(shù)的方法。
2. ParameterizedThreadStart：定義了返回值為空且有一個(gè)object類型的參數(shù)。
下面是一個(gè)簡單的例子，使用 Start方法啟動(dòng)一個(gè)新線程：
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表達(dá)式代替線程名稱：
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: }
如果不需要引用變量，可如下直接啟動(dòng)線程：
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，如果想控制線程對象，對線程設(shè)置一些屬性，需要在線程創(chuàng)建后引用線程變量。如下可給線程對象的不同屬性設(shè)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: }
調(diào)用引用變量，可以執(zhí)行一些操作如中止線程或通過調(diào)用join方法等待阻塞線程。
如果需要通過函數(shù)傳值，可以給Start方法傳值。由于該方法的參數(shù)為Object類型，因此需要強(qiáng)制轉(zhuǎn)換類型。
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 thread8:
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: }
.NET框架引入了兩個(gè)新的關(guān)鍵字來實(shí)現(xiàn)異步編程：“async”和“await”。使用 “await”的異步方法必須由“async”修飾符來聲明方法?！癮wait”關(guān)鍵字修飾調(diào)用異步方法。await 運(yùn)算符應(yīng)用于一個(gè)異步方法中的任務(wù)以掛起該方法的執(zhí)行，直到等待任務(wù)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 ”修飾符只能用于返回值為Task類型或Void的方法。它不能用于主程序的切入點(diǎn)。
所有的方法之前不能使用await關(guān)鍵字，使用“await”關(guān)鍵字方法必須返回 “可等待”類型。以下屬于“可等待”類型：
1. Task
2. Task<T>
3. 自定義“可等待”類型。
首先我們需要聲明一個(gè)返回類型為Task或Task<T>的異步方法?？梢酝ㄟ^以下幾種方式創(chuàng)建任務(wù)：
1. Task.Factory.StartNew方法：在之前的.NET版本（在.NET 4中），是創(chuàng)建和啟動(dòng)任務(wù)的主要方法。
2. Task.Run或Task.Run <T>方法：從.NET 4.5這個(gè)方法已經(jīng)被使用。此方法足以滿足常見情況。
3. Task.FromResult方法：如果結(jié)果是已計(jì)算，就可以用這個(gè)方法來創(chuàng)建任務(wù)。
使用Task.Run <T>方法創(chuàng)建Task。該方法將特定工作按順序排列在線程池中運(yùn)行，并返回工作的任務(wù)句柄。需要以下步驟從同步方法中創(chuàng)建異步任務(wù)：
1. 假設(shè)下面方法是同步的，但需要一定的時(shí)間來完成：
1: static string Greeting(string name)
2:
3: {4:
5: Thread.Sleep(3000);
6:
7: return string.Format("Hello, {0}", name);8:
9: }
2. 要以異步方式訪問此方法，必須以異步方式封裝。命名為“GreetingAsync”。增加“Async”的后綴命名異步方法。
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.現(xiàn)在，可通過使用的await關(guān)鍵字調(diào)用異步方法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: }
當(dāng)“CallWithAsync”方法被調(diào)用時(shí)，與常規(guī)的同步方法一樣執(zhí)行，直到遇到“await”的關(guān)鍵字。當(dāng)它執(zhí)行到 await的關(guān)鍵字會(huì)處理執(zhí)行，并開始等待“GreetingAsync（” Bulbul “）” 方法被完成。同時(shí)，程序流將返回” CallWithAsync “方法的調(diào)用者，并繼續(xù)執(zhí)行調(diào)用者的任務(wù)。
當(dāng)“GreetingAsync（" Bulbul "） 方法完成，“CallWithAsync”的方法恢復(fù) “await關(guān)鍵字后的其他任務(wù)。在本實(shí)例中，將繼續(xù)執(zhí)行的代碼“Console.WriteLine（result）”
4. 使用任務(wù)持續(xù)：Task類 “ContinueWith”的方法定義了Task完成后被調(diào)用的代碼。
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“關(guān)鍵字，編譯器會(huì)自動(dòng)在合適的位置中添加“await”關(guān)鍵字。
等候多個(gè)異步方法。
看看下面的代碼：
1: private async static void CallWithAsync()
2:
3: {4:
5: string result = await GreetingAsync("Bulbul");6:
7: string result1 = await GreetingAsync(“Ahmed”);
8:
9: Console.WriteLine(result);
10:
11: Console.WriteLine(result1);
12:
13: }
有兩個(gè)正在等待調(diào)用函數(shù)序列?！癎reetingAsync（” Ahmed “）” 會(huì)在完成第一個(gè)呼叫“GreetingAsync（” Bulbul “）” 之后啟動(dòng)。如果“result”和上面的代碼“result1”是獨(dú)立的，那么連續(xù)的“awiating”并不是一個(gè)好的做法。
在這種情況下，我們可以簡化調(diào)用方法，不需要添加多個(gè)“await”關(guān)鍵字，只在一個(gè)地方添加await關(guān)鍵字，如下所示，這種情況下，該方法的調(diào)用都可以并行執(zhí)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: }
在這里，我們使用Task.WhenAll連接器。Task.WhenAll創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)，將完成所有的提供的任務(wù)。Task類也有其他的結(jié)合器。Task.WhenAny，當(dāng)所任務(wù)鏈中所有的任務(wù)完成時(shí)，結(jié)束使用。
必須把“await的代碼塊放在try塊內(nèi)捕獲異常。
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(“handled {0}”, ex.Message);18:
19: }
20:
21: }
如果try塊中有多個(gè)“await”，只有第一個(gè)” await“異常會(huì)被處理，其他“await”將無法被捕捉。如果希望所有的方法都能捕獲異常，不能使用“await”關(guān)鍵字調(diào)用方法，使用Task.WhenAll來執(zhí)行任務(wù)。
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(“handled {0}”, ex.Message);22:
23: }
24:
25: }
捕獲所有任務(wù)的錯(cuò)誤一種方法是在try塊之外聲明任務(wù)，這樣可以從try塊進(jìn)行訪問，并檢查任務(wù)的“IsFaulted”屬性。如果它存在異常那么“IsFaulted”屬性值為True，就可捕獲任務(wù)實(shí)例的內(nèi)部異常。
還有另一個(gè)更好的辦法：
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: }
在此之前，如果從線程池中調(diào)用線程，線程是不可能取消?，F(xiàn)在，Task類提供了一個(gè)方法基于CancellationTokenSource類能夠取消已啟動(dòng)的任務(wù)，取消任務(wù)步驟：
1. 異步方法應(yīng)該除外 “ CancellationToken” 參數(shù)類型
2. 創(chuàng)建CancellationTokenSource類實(shí)例：
var cts =new CancellationTokenSource();
3. 傳遞CancellationToken，如：
1: Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul", cts.Token);4. 長時(shí)間運(yùn)行的方法中，必須調(diào)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:
}
5. 從等待的Task中捕獲 OperationCanceledException異常。
6. 如果通過調(diào)用CancellationTokenSource的實(shí)例的方法執(zhí)行取消操作，將從長時(shí)間運(yùn)行操作中拋出OperationCanceledException異常。也可以設(shè)置取消的時(shí)間。以下是完整的代碼，一秒后執(zhí)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:
.NET 4.5及以上版本推出“Parallel類，是線程類的抽象。使用“Parallel”類，我們可以實(shí)現(xiàn)并行。并行與線程不同，它使用所有可用的CPU或內(nèi)核的。以下兩種類型的并行是可行：
數(shù)據(jù)并行：如果我們有數(shù)據(jù)的大集合，我們希望在每個(gè)數(shù)據(jù)的某些操作進(jìn)行并行使用，那么就可以使用數(shù)據(jù)并行。Parallel類有靜態(tài)For或ForEach來執(zhí)行數(shù)據(jù)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方法可以在多線程中和且索引無序可以是無序的。
如果想停止并行For或ForEach方法，可通過ParallelLoopState作為參數(shù)，并根據(jù)需要打破循環(huán)的狀態(tài)，跳出循環(huán)。
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. 任務(wù)并行：如果想要同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)的，我們可以通過調(diào)用Parallel類的invoke方法使用任務(wù)并行Parallel.Invoke方法接收委托行為的數(shù)組。例如：
1: static void ParallelInvoke()
2:
3: {4:
5: Parallel.Invoke(MethodOne, MethodTwo);
6:
7: }
8:
本文詳細(xì)介紹了.NET Framework 4.5提供的異步編程技術(shù)及細(xì)節(jié)。
原文鏈接：http://www.codeproject.com/Articles/996857/Asynchronous-programming-and-Threading-in-Csharp-N
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