C#複習筆記（5）--C#5：簡化的非同步編程（非同步編程的基礎知識）

標籤：接下來   迴圈   completed   特定   暫停   詳細介紹   編程   c中   created   

非同步編程的基礎知識

C#5推出的async和await關鍵字使非同步編程從表面上來說變得簡單了許多，我們只需要瞭解不多的知識就可以編寫出有效非同步代碼。

在介紹async和await之前，先介紹一些基礎的概念：

並發：同時做很多事情。

這個解釋直接表明了並發的作用。終端使用者程式利用並發功能，在輸入資料庫的同時響應使用者輸入。伺服器應用利用並發，在處理第一個請求的同時響應第二個請求。只要你希望程式同時做多件事情，你就需要並發。幾乎每個軟體程式 都會受益於並發。

多線程：並發的一種形式，它採用多個線程來執行程式。

從字面上看，多線程就是使用多個線程。本書後續章節將介紹，多線程是並發的一種形式，但不是唯一的形式。實際上，直接使用底層線程類型在現代程式中基本不起作用。 比起老式的多線程機制，採用進階的抽象機制會讓程式功能更加強大、效率更高。因此，本書將盡量不涉及一些過時的技術。書中所有多線程的方法都採用進階類型，而不是Thread或BackgroundWorker。但是，不要認為多線程已經徹底被淘汰了！因為線程池要求多線程繼續存在。線程池存放任務的隊列，這個隊列能夠根據需要自行調整。相應地，線程池產生了另一個重要的並發形式：平行處理。

平行處理：把正在執行的大量的任務分割成小塊，分配給多個同時啟動並執行線程。

為了讓處理器的利用效率最大化，平行處理（或並行編程）採用多線程。當現代多核CPU執行大量任務時，若只用一個核執行所有任務，而其他核保持空閑，這顯然是不合理的。平行處理把任務分割成小塊並分配給多個線程，讓它們在不同的核上獨立運行。平行處理是多線程的一種，而多線程是並發的一種。在現代程式中，還有一種非常重要但很多人還不熟悉的並發類型：非同步編程。

非同步編程：並發的一種形式，它採用future模式或回調（callback）機制，以避免產生不必要的線程。

一個future（或promise）類型代表一些即將完成的操作。在.NET中，新版future類型有Task和Task<TResult>。在老式非同步編程API中，採用回調或事件（event），而不是future。非同步編程的核心理念是非同步作業：啟動了的操作將會在一段時間後完成。這個操作正在執行時，不會阻塞原來的線程。啟動了這個操作的線程，可以繼續執行其他任務。當操作完成時，會通知它的future，或者調用回呼函數，以便讓程式知道操作已經結束。非同步編程是一種功能強大的並發形式，但直至不久前，實現非同步編程仍需要特別複雜的代碼。VS2012支援async和await，這讓非同步編程變得幾乎和同步（非並發）編程一樣容易。

非同步編程簡介非同步編程的執行流程

現代的非同步.NET程式使用兩個關鍵字：async和await。async關鍵字加在方法聲明上，它的主要目的是使方法內的await關鍵字生效（為了保持向後相容，同時引入了這兩個關鍵字）。如果async方法有傳回值，應返回Task<T>；如果沒有傳回值，應返回Task。這些task類型相當於future，用來在非同步方法呼叫結束時通知主程式。還有一種是返回void，這種就是存粹的為了相容事件處理常式。所以，除了用於註冊實踐處理常式，不建議在別的地方使用返回void的非同步代碼。

先來看一個例子：

 async Task AsyncMethod()        {            Console.WriteLine("Sync execute before await");//①同步執行的代碼            await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(5));//②非同步等待，非阻塞            Console.WriteLine("callback method");//③任務的延續        }

 

和其他方法一樣，async方法在開始時以同步方式執行①。在async方法內部，await關鍵字對它的參數執行一個非同步等待②。它首先檢查操作是否已經完成，如果完成了，就繼續運行（同步方式）。否則，它會暫停async方法，並返回，留下一個未完成的task（token）。一段時間後，操作完成，async方法就恢複運行③。就是這麼簡單。編譯器在後面協助我們做了大量的工作。在後續的章節中，會詳細介紹編譯器的所作所為。

同步上下文：一個async方法是由多個同步執行的程式塊組成的，每個同步程式塊之間由await語句分隔②。第一個同步程式塊在調用這個方法的線程中運行，但其他同步程式塊在哪裡運行呢？情況比較複雜。最常見的情況是，用await語句等待一個任務完成，當該方法在await處暫停時，就可以捕捉上下文（context）。如果當前SynchronizationContext不為空白，這個上下文就是當前SynchronizationContext。如果當前SynchronizationContext為空白，則這個上下文為當前TaskScheduler。該方法會在這個上下文中繼續運行③。一般來說，運行UI線程時採用UI上下文，處理ASP.NET請求時採用ASP.NET請求上下文，其他很多情況下則採用線程池上下文。因此，在上面的代碼中，每個同步程式塊會試圖在原始的上下文中恢複運行。如果在UI線程中調用DoSomethingAsync，這個方法的每個同步程式塊都將在此UI線程上運行。但是，如果線上程池線程中調用，每個同步程式塊將線上程池線程上運行。要避免這種行為，可以在await中使用ConfigureAwait方法，將參數continueOnCapturedContext設為false。接下來的代碼剛開始會在調用的線程裡運行，在被await暫停後，則會線上程池線程裡繼續運行。

可等待模式：關鍵字await不僅能用於Task，還能用於所有遵循特定模式的awaitable類型——在編譯器產生的狀態機器中，有一個MoveNext的方法，在這個方法中會調用await的對象是否有一個GetAwaiter的方法，這個方法是否會返回一個awaiter，awaiter裡面是否包含了GetResult方法和IsCompleted屬性，awaiter遵循的介面是INotifyCompletion和ICriticalNotifyCompletion，從名字上面來看就知道他們的意思都是發送一個通知。類似的awaitable類型還有YieldAwaitable、ConfiguredTaskAwaitable，awaitable類型的一個特點是有一個GetAwaiter的方法來返回一個awaiter。

迭代器也是類似的原理，並且它出現的更早（C#2)。在foreach迴圈一個序列的時候，他不要求這個序列必須實現了IEnumerable或者IEnumerable<T>,foreach會尋找這個序列是否有一個GetEnumerator的方法，這個方法是否返回一個Enumerator，這個Enumerator是否包含一個MoveNext方法和一個返回當前元素的Current屬性。

處理異常

因為不確定Task的執行線程，所以Task不會主動的拋出異常，在返回的Task中的Status屬性上會指示Task的執行結果，Status屬性是TaskStatus枚舉類型，定義如下：

 public enum TaskStatus        {            Created,            WaitingForActivation,            WaitingToRun,            Running,            WaitingForChildrenToComplete,            RanToCompletion,            Canceled,            Faulted,        }

Task上面還有一個Exception屬性，類型是一個AggregateException。正常情況下，當Task執行順利完成時，Exception返回null。但Task執行失敗時，Exception屬性會返回一個AggregateException類型的異常，這個異常包含了Task執行過程中拋出的所有異常。發生異常時，任務結束，不直接拋出異常。只有在使用一個Task的時候，比如Task.Wait()、Task.WhenAll()、等等。還有，在await一個Task的時候，也會拋出異常，但是會拋出AggregateException中的第一個異常。

死結

關於非同步編程還有一個重要的準則就是，在有UI線程的地方，如果你要使用非同步編程，就要非同步到底，考慮下面的代碼：

 async Task WaitAsync()        {            //這裡awati會捕獲當前上下文……             await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(1)); // ……這裡會試圖用上面捕獲的上下文繼續執行         }        void Deadlock()        {            //開始 延遲             Task task = WaitAsync(); //同步程式塊，正在等待非同步方法呼叫完成             task.Wait();        }

上面的代碼如果在UI線程或Asp.net 中執行，就會發生死結，來看看到底發生了什麼：這兩種上下文每次只能運行一個線程。Deadlock方法調用WaitAsync方法，WaitAsync方法開始調用delay語句。然後，Deadlock方法（同步）等待WaitAsync方法完成，同時阻塞了上下文線程。當delay語句結束時，await試圖在已捕獲的上下文中繼續運行WaitAsync方法，但這個步驟無法成功，因為上下文中已經有了一個阻塞的線程，並且這種上下文只允許同時運行一個線程。這裡有兩個方法可以避免死結：在WaitAsync中使用ConfigureAwait(false)（導致await忽略該方法的上下文），或者用await語句調用WaitAsync方法（讓Deadlock變成一個非同步方法呼叫）。

 

 

基礎的東西就這麼多，這個章節裡面沒有多少例子，不過如果能看懂裡面的所有意思，那麼編寫非同步編程也不是什麼難事。下面的章節會詳細的介紹編譯器為async和await所做的所有事情，並會將相關的概念進行進一步的擴充。

 

C#複習筆記（5）--C#5：簡化的非同步編程（非同步編程的基礎知識）