【转】温故之.NET 异步

小鱼儿 2023-01-23 13:54 113阅读 0赞

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这篇文章包含以下内容

*  异步基础
 *  基于任务的异步模式
 *  部分 API 介绍

## **异步基础** ##

所谓异步，对于计算密集型的任务，就是以线程为基础的多任务。而在具体使用中，使用线程池里面的线程还是新建独立线程，取决于具体的任务量；对于 `I/O` 密集型任务的异步，是以 `Windows` 事件为基础的。

`.NET` 提供了执行异步操作的三种方式：

*  异步编程模型 (`APM`) 模式（也称 `IAsyncResult` 模式）：在此模式中异步操作需要 `Begin` 和 `End` 方法（比如用于异步写入操作的 `BeginWrite` 和 `EndWrite`）。**不建议新的开发使用此模式**
 *  基于事件的异步模式 (`EAP`)：这种模式需要一个或多个事件、事件处理程序委托类型和 `EventArg` 派生类型，以便在工作完成时触发。**不建议新的开发使用这种模式**
 *  基于任务的异步模式 (`TAP`)：它是在 `.NET 4` 中引入的。`C#` 中的 `async` 和 `await` 关键字为 `TAP` 提供了语言支持。**这是推荐使用方法**

由于异步编程模型 (`APM`) 模式与基于事件的异步模式 (`EAP`)在新的开发中已经不推荐使用。故在此处我们就不介绍了，以下仅介绍基于任务的异步模式（`TAP`）

## **基于任务的异步模式（TAP）** ##

任务是工作的异步抽象，而不是线程的抽象。即当一个方法返回了 `Task` 或 `Task<T>`，我们不应该认为它一定创建了一个线程，而是开始了一个任务。这对于我们理解 `TAP` 是非常重要的。

`TAP` 以 `Task` 和 `Task<T>` 为基础。它把具体的任务抽象成了统一的使用方式。这样，不论是计算密集型任务，还是 `I/O` 密集型任务，我们都可以使用 `async` `、await` 关键字来构建更加简洁易懂的代码

任务分为 **计算密集型任务**和 **I/O密集型任务**任务两种

*  **计算密集型任务**：当我们 `await` 一个操作时，该操作会通过 `Task.Run` 方法启动一个线程来处理相关的工作  
    工作量大的任务，通过为 `Task.Factory.StartNew` 指定 `TaskCreateOptions.LongRunning`选项 可以使新的任务运行于独立的线程上，而非使用线程池里面的线程
 *  **I/O 密集型任务**：当我们 `await` 一个操作时，它将返回 一个 `Task` 或 `Task`。  
    值得注意的是，这儿并不会启动一个线程

虽然计算密集型任务和 `I/O` 密集型任务在使用方式上没有多大的区别，但其底层实现却大不相同。

那我们如何区分 `I/O` 密集型任务和计算密集型任务呢？  
  
比如网络操作，需要从服务器下载我们所需的资源，它就是属于 `I/O` 密集型的操作；比如我们通过排序算法对一个数组排序时，这时的任务就是计算密集型任务。

**简而言之，判断一个任务是计算型还是 `I/O` 型，就看它占用的 `CPU` 资源多，还是 `I/O` 资源多就可以了。**

对于`I/O`密集型的应用，它们是以 `Windows` 事件为基础的，因此不需要新建一个线程或使用线程池里面的线程来执行具体工作。但我们仍然可以使用 `async`、`await` 来进行异步处理，这得益于 .Net 为我们提供了一个统一的使用方式： `Task` 或 `Task<T>`

举个例子，对于 `I/O` 密集型任务，使用方式如下

// 这是在 .NET 4.5 及以后推荐的网络请求方式
    HttpClient httpClient = new HttpClient();
    var result = await httpClient.GetStringAsync("https://www.baidu.com");
    
    // 而不是以下这种方式（虽然得到的结果相同，但性能却不一样，并且在.NET 4.5及以后都不推荐使用）
    WebClient webClient = new WebClient();
    var resultStr = Task.Run(() => {
        return webClient.DownloadString("https://www.baidu.com");
    });

对于计算密集型应用，使用方式如下

Random random = new Random();
    List<int> data = new List<int>();
    for (int i = 0; i< 50000000; i++) {
        data.Add(random.Next(0, 100000));
    }
    // 这儿会启动一个线程，来执行排序这种计算型任务
    await Task.Run(() => {
        data.Sort();
    });

异步方法返回 `Task` 或 `Task<TResult>`，具体取决于相应方法返回的是 `void` 还是类型 `TResult`。如果返回的是 `void`，则使用 `Task`，如果是 `TResult`，则使用 `Task<TResult>`

> 不应该使用  `out` 或  `ref` 的方式来返回值，因为这可能产生意料之外的结果。因此，我们应该尽可能的使用  `Task<TResult>` 中的  `TResult` 来组合多个返回值  
>   
> 另外，await不能用在返回值为 void 的方法上，否则会有编译错误

针对 `TAP` 的编码建议

*  `async` 与 `await` 应该搭配使用。即它们要么都出现，要么都不出现
 *  仅在异步方法（即被 `async` 修饰的方法）中使用 `await`。否则会有编译器错误
 *  如果一个方法内部，没有使用 `await`，则该方法不应该使用 `async` 来修饰，否则会有编译器警告
 *  如果一个方法为异步方法（被 `async` 修饰），则它应该以 `Async` 结尾
 *  我们应该使用非阻塞的方式来编写等待任务结果的代码：  
    使用 `await`、`await Task.WhenAny`、 `await Task.WhenAll`、`await Task.Delay` 去等待后台任务的结果。  
    而不是 `Task.Wait` 、`Task.Result`、`Task.WaitAny`、`Task.WaitAll`、`Thread.Sleep`，因为这些方式会阻塞当前线程。  
    即如果需要等待或暂停，我们应该使用 `.NET 4.5` 提供的 `await` 关键字，而不是使用 `.NET 4.5` 之前的版本提供的方式
 *  如果是计算密集型任务，则应该使用 `Task.Run` 来执行任务；如果是耗时比较长的任务，则应该使用 `Task.Factory.StartNew` 并指定 `TaskCreateOptions.LongRunning` 选项来执行任务
 *  如果是 `I/O` 密集型任务，不应该使用 `Task.Run`。  
    因为 `Task.Run` 会在一个单独的线程中运行（线程池或者新建一个独立线程），而对于 `I/O` 任务来说，启用一个线程意义不大，反而会浪费线程资源

**创建任务**

要创建一个计算密集型任务，在 `.NET 4.5` 及以后，可采用 `Task.Run` 的方式来快速创建；如果需要对任务有更多的控制权，则可以使用 `.NET 4.0` 提供的 `Task.Factory.StartNew` 来创建一个任务。  
对于 `I/O` 密集型任务，我们可以通过将 `await` 作用于对应的 `I/O` 操作方法上即可

**取消任务**

在 `TAP` 中，任务是可以取消的。通过 `CancellationTokenSource` 来管理。需要支持取消的任务，必须持有 `CancellationTokenSource.Token` （令牌），以便该任务可以通过 `CancellationTokenSource.Cancel()` 的方式来取消。

使用 `CancellationTokenSource` 来取消任务，有以下优点

*  可以将令牌传递给多个任务，这样可以同时取消多个任务。类似于一个老师，可以管理多个学生。
 *  可以通过 `CancellationTokenSource.Token.Register` 来监听任务的取消。这样我们可以在任务取消之后做一些其他的工作

**任务处理进度**

我们可以通过 `IProgress<T>` 接口监听进度，如下所示

public Task ReadAsync(byte[] buffer, int offset, int count, IProgress<long> progress)

在 `.NET 4.5` 提供单个 `IProgress<T>` 实现：`Progress<T>`。`Progress<T>` 类的声明方式如下：

// Progress<T> 类的声明
    public class Progress<T> : IProgress<T> {  
        public Progress();  
        public Progress(Action<T> handler);  
        protected virtual void OnReport(T value);  
        public event EventHandler<T> ProgressChanged;  
    }

举个例子，假设我们需要获取并显示下载进度，则可以按以下方式书写

private async void btnDownload_Click(object sender, RoutedEventArgs e) {  
        btnDownload.IsEnabled = false;  
        try {  
            txtResult.Text = await DownloadStringAsync(txtUrl.Text, new Progress<int>(p => pbDownloadProgress.Value = p));  
        }  
        finally { 
            btnDownload.IsEnabled = true; 
        }  
    }

## **部分 API 介绍** ##

**Task.WhenAll**

此方法可以帮助我们同时等待多个任务，所有任务结束（正常结束、异常结束）后返回

这里需要注意的是，如果单个任务有异常产生，这些异常会合并到 `AggregateException` 中。我们可以通过 `AggregateException.InnerExceptions` 来得到异常列表；也可以使用 `AggregateException.Handle` 来对每个异常进行处理，示例代码如下

public static async void EmailAsync() {
        List<string> addrs = new List<string>();
        IEnumerable<Task> asyncOps = addrs.Select(addr => SendMailAsync(addr));
        try {
            await Task.WhenAll(asyncOps);
        } catch (AggregateException ex) {
            // 可以通过 InnerExceptions 来得到内部返回的异常
            var exceptions = ex.InnerExceptions;
            // 也可以使用 Handle 对每个异常进行处理
            ex.Handle(innerEx => {
                // 此处的演示仅仅为了说明 ex.Handle 可以对异常进行单独处理
                // 实际项目中不一定会抛出此异常
    
                if (innerEx is OperationCanceledException oce) {
                    // 对 OperationCanceledException 进行单独的处理
                    return true;
                } else if (innerEx is UnauthorizedAccessException uae) {
                    // 对 UnauthorizedAccessException 进行单独处理
                    return true;
                }
                return false;
            });
        }
    }

但，如果我们需要对每个任务进行更加详细的管理，则可以使用以下方式来处理

public static async void EmailAsync() {
        List<string> addrs = new List<string>();
        IEnumerable<Task> asyncOps = addrs.Select(addr => SendMailAsync(addr));
        try {
            await Task.WhenAll(asyncOps);
        } catch (AggregateException ex) {
            // 此处可以针对每个任务进行更加具体的管理
            foreach (Task<string> task in asyncOps) {
                if (task.IsCanceled) {
                }else if (task.IsFaulted) {
                }else if (task.IsCompleted) {
                }
            }
        }
    }

这样，就应该基本上足够应对我们工作中的大部分的异常处理了

**Task.WhenAny**

与 `Task.WhenAll` 不同，`Task.WhenAny` 返回的是已完成的任务（可能只是所有任务中的几个任务）

举个例子，比如我们开发了一个图片类App。我们可能需要在打开这个页面时，同时下载并展示多张图片。但我们希望无论是哪一张图片，只要下载完成，就展示出来，而不是所有的图片都下载完了之后再展示。示例代码如下

List<Task<Bitmap>> imageTasks = urls.Select(imgUrl => GetBitmapAsync(imgUrl)).ToList();
    // 如果我们需要对图片做一些处理（比如灰度化），可以使用以下代码
    // List<Task<Bitmap>> imageTasks = urls.Select(imgUrl => GetBitmapAsync(imgUrl).ContinueWith(task => ConvertToGray(task.Result)).ToList();
    while(imageTasks.Count > 0) {  
        try {  
            Task<Bitmap> imageTask = await Task.WhenAny(imageTasks);
            // 移除已经下载完成的任务
            imageTasks.Remove(imageTask);  
            // 同时将该任务的图片，在UI上呈现出来
            Bitmap image = await imageTask;  
            panel.AddImage(image);  
        } catch{}  
    }

**Task.Delay**

此方法用于暂停当前任务的执行，在指定时间之后继续运行。

它可以与 `Task.WhenAny` 和 `Task.WhenAll` 结合，实现任务的超时，如下

public async void btnDownload_Click(object sender, EventArgs e) {  
        btnDownload.Enabled = false;  
        try {  
            Task<Bitmap> download = GetBitmapAsync(url); 
            // 以下的这行代码表示，如果在 3s 之内没有下载完成，则认为超时
            if (download == await Task.WhenAny(download, Task.Delay(3000))) {  
                Bitmap bmp = await download;  
                pictureBox.Image = bmp;  
                status.Text = "Downloaded";  
            } else {  
                pictureBox.Image = null;  
                status.Text = "Timed out";  
                var ignored = download.ContinueWith(t => Trace("Task finally completed"));
            }  
        } finally { 
          btnDownload.Enabled = true; 
        }  
    }

通过这种方式，也可以监听使用 `Task.WhenAll` 时多个任务的超时，如下

Task<Bitmap[]> downloads = Task.WhenAll(from url in urls select GetBitmapAsync(url));  
    if (downloads == await Task.WhenAny(downloads, Task.Delay(3000))) {  
        foreach(var bmp in downloads) 
            panel.AddImage(bmp);  
        status.Text = "Downloaded";  
    } else {
        status.Text = "Timed out";  
        downloads.ContinueWith(t => Log(t));  
    }

另外，提供两个有用的函数，以方便我们在项目中使用

**RetryOnFail**

定义如下所示

// 如果下载资源失败后，我们希望重新下载时可以使用此方法
    // 我们可以指定失败之后，间隔多长时间才重试。
    // 也可以将 retryWhen 指定为 null，以便在失败之后立即重试
    public static async Task<T> RetryOnFail<T>(Func<Task<T>> function, int maxTries, Func<Task> retryWhen) {
        for (int i = 0; i < maxTries; i++) {
            try {
                return await function().ConfigureAwait(false);
            } catch {
                if (i == maxTries - 1) throw;
            }
            if (retryWhen != null)
                await retryWhen().ConfigureAwait(false);
        }
        return default(T);
    }

使用方式如下，这在失败之后，暂停 1s，然后再重试

string pageContents = await RetryOnFail(() => DownloadStringAsync(url), 3, () => Task.Delay(1000));

或者如下，这将在失败之后立即重试

string pageContents = await RetryOnFail(() => DownloadStringAsync(url), 3, null);

**NeedOnlyOne**

定义如下

public static async Task<T> NeedOnlyOne<T>(params Func<CancellationToken, Task<T>>[] functions) {
        var cts = new CancellationTokenSource();
        var tasks = functions.Select(func => func(cts.Token));
        var completed = await Task.WhenAny(tasks).ConfigureAwait(false);
        cts.Cancel();
        foreach (var task in tasks) {
            var ignored = task.ContinueWith(t => Trace.WriteLine(t), TaskContinuationOptions.OnlyOnFaulted);
        }
        return await completed;
    }

对于前面我们提到的下载电影的例子：获取到速度最快的渠道之后，立即取消其他的任务。现在我们可以这样做

var line = await NeedOnlyOne(
                token => DetectSpeedAsync("line_1", movieName, cts.Token),
                token => DetectSpeedAsync("line_2", movieName, cts.Token),
                token => DetectSpeedAsync("line_3", movieName, cts.Token)
                );

以上提供的这两个方法，在实际项目中会非常有用，在需要时可以将它们用起来。当然，通过对 `Task` 的灵活运用，可以组合出更多方便的方法出来。在具体项目中多多使用即可

关于 `Task` 的一些基本的用法就介绍到这儿了

至此，本节内容讲解完毕。下一篇文章我们将讲解 `.NET` 中的并行编程。  
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