.NET中async非同步、thread多執行緒

一、任務Task

#System.Threading.Tasks在.NET4引入，前面執行緒的API太多了，控制不方便，ThreadPool控制能力又太弱，比如做線程的延續、阻塞、取消、超時等功能不太方便，所以Task就抽象了線程功能，在後台使用ThreadPool

#1、啟動任務

可以使用TaskFactory類別或Task類別的建構子和Start()方法，委託可以提供帶有一個Object類型的輸入參數，所以可以傳遞給任務任意數據，還漏了一個常用的Task.Run

TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
taskFactory.StartNew(() => 
{
    Console.WriteLine($"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
Task.Factory.StartNew(() =>
{
    Console.WriteLine($"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
Task task = new Task(() =>
{
    Console.WriteLine($"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
task.Start();

只有Task類別實例方式需要Start()去啟動任務，當然可以RunSynchronously()來同步執行任務，主執行緒會等待，就是用主執行緒來執行這個task任務

Task task = new Task(() =>
{
    Thread.Sleep(10000);
    Console.WriteLine($"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
task.RunSynchronously();

2、阻塞延續

在Thread中我們使用join來阻塞等待，在多個Thread時進行控制就不太方便。在Task中我們使用實例方法Wait阻塞單一任務或靜態方法WaitAll和WaitAny阻塞多個任務

var task = new Task(() =>
{
    Thread.Sleep(5*1000);
    Console.WriteLine($"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
var task2 = new Task(() =>
{
    Thread.Sleep(10 * 1000);
    Console.WriteLine($"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
task.Start();
task2.Start();
//task.Wait();//单任务等待
//Task.WaitAny(task, task2);//任何一个任务完成就继续
Task.WaitAll(task, task2);//任务都完成才继续

如果不希望阻塞主線程，實作當一個任務或幾個任務完成後執行別的任務，可以使用Task靜態方法WhenAll和WhenAny,他們將返回一個Task，但這個Task不允許你控制，將會在滿足WhenAll和WhenAny裡任務完成時自動完成，然後調用Task的ContinueWith方法，就可以在一個任務完成後跟上開始另一個任務

Task.WhenAll(task, task2).ContinueWith((t) =>
{
    Console.WriteLine($"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
Task.Factory工厂中也存在类似ContinueWhenAll和ContinueWhenAny

3、任務層次結構

#不僅可以在一個任務結束後執行另一個任務，也可以在一個任務內啟動一個任務，這啟動了一個父子層次結構

var parentTask = new Task(()=> 
{
    Console.WriteLine($"parentId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
    Thread.Sleep(5*1000);
    var childTask = new Task(() =>
    {
        Thread.Sleep(10 * 1000);
        Console.WriteLine($"childId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}")
    });
    childTask.Start();
});
parentTask.Start();

如果父任務在子任務之前結束，父任務的狀態為WaitingForChildrenToComplete，當子任務也完成時，父任務的狀態就變為RanToCompletion，當然，在建立任務時指定TaskCreationOptions枚舉參數，可以控制任務的創建和執行的可選行為

4、枚舉參數

#簡單介紹下創建任務中的TaskCreationOptions枚舉參數，創建任務時我們可以提供TaskCreationOptions枚舉參數，用於控制任務的創建和執行的可選行為的標誌

AttachedToParent：指定將任務附加到任務層次結構中的某個父級，意思是建立父子關係，父任務必須等待子任務完成才可以繼續執行。和WaitAll效果一樣。上面範例如果在建立子任務時指定TaskCreationOptions.AttachedToParent，那麼父任務wait時也會等子任務的結束

DenyChildAttach：不讓子任務附加到父任務上

#LongRunning：指定是長時間運行任務，如果事先知道這個任務會耗時比較長，建議設定此項目。這樣，Task調度器會建立Thread線程，而不使用ThreadPool線程。因為你長時間佔用ThreadPool線程不還，那它可能必要時會在線程池中開啟新的線程，造成調度壓力

PreferFairness：盡可能公平的安排任務，這意味著較早安排的任務將更可能較早運行，而較晚安排運行的任務將更可能較晚運行。實際上透過把任務放到執行緒池的全域隊列中，讓工作執行緒去爭搶，預設是在本地隊列中。

另一個枚舉參數是ContinueWith方法中的TaskContinuationOptions枚舉參數，它除了擁有幾個和上面同樣功能的枚舉值外，還擁有控制任務的取消延續等功能

#LazyCancellation：在延續取消的情況下，防止延續的完成直到完成先前的任務。什麼意思呢？

CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();
source.Cancel();
var task1 = new Task(() => 
{
    Console.WriteLine($"task1 id={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
var task2 = task1.ContinueWith(t =>
{
    Console.WriteLine($"task2 id={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
},source.Token);
var task3 = task2.ContinueWith(t =>
{
    Console.WriteLine($"task3 id={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
});
task1.Start();

上面例子我們企圖task1->task2->task3順序執行，然後透過CancellationToken來取消task2的執行。結果會是怎樣呢？結果task1和task3會並行執行（task3也是會執行的，而且是和task1並行，等於原來的一條鏈變成了兩條鏈），然後我們嘗試使用

LazyCancellation，
var task2 = task1.ContinueWith(t =>
{
    Console.WriteLine($"task2 id={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
},source.Token,TaskContinuationOptions.LazyCancellation,TaskScheduler.Current);

這樣，將會在task1執行完成後，task2才去判斷source.Token，為Cancel就不執行，接下來執行task3就保證了原來的順序

ExecuteSynchronously：指定應同步執行延續任務，比如上例中，在延續任務task2中指定此參數，則task2會使用執行task1的執行緒來執行，這樣防止執行緒切換，可以做些共有資源的存取。不指定的話就隨機，但也能也用到task1的執行緒

NotOnRanToCompletion：延續任務必須在前面任務非完成狀態下執行

OnlyOnRanToCompletion：延續任務必須在前面任務完成狀態才能執行

NotOnFaulted，OnlyOnCanceled，OnlyOnFaulted等等

5、任務取消

在上篇使用Thread時，我們使用一個變數isStop標記是否取消任務，這種存取共享變數的方式難免會出問題。 task中提出CancellationTokenSource類別專門處理任務取消，常見用法看下面程式碼註解

CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();//构造函数中也可指定延迟取消
//注册一个取消时调用的委托
source.Token.Register(() =>
{
    Console.WriteLine("当前source已经取消，可以在这里做一些其他事情（比如资源清理）...");
});
var task1 = new Task(() => 
{
    while (!source.IsCancellationRequested)
    {
        Console.WriteLine($"task1 id={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}");
    }
},source.Token);
task1.Start();
//source.Cancel();//取消
source.CancelAfter(1000);//延时取消

6、任務結果

让子线程返回结果，可以将信息写入到线程安全的共享变量中去，或则使用可以返回结果的任务。使用Task的泛型版本Task，就可以定义返回结果的任务。Task是继承自Task的，Result获取结果时是要阻塞等待直到任务完成返回结果的，内部判断没有完成则wait。通过TaskStatus属性可获得此任务的状态是启动、运行、异常还是取消等

var task = new Task<string>(() =>
{
     return "hello ketty";
});
task.Start();
string result = task.Result;

7、异常

可以使用AggregateException来接受任务中的异常信息，这是一个聚合异常继承自Exception，可以遍历获取包含的所有异常，以及进行异常处理，决定是否继续往上抛异常等

var task = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    var childTask1 = Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        throw new Exception("childTask1异常...");
    },TaskCreationOptions.AttachedToParent);
    var childTask12= Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        throw new Exception("childTask2异常...");
    }, TaskCreationOptions.AttachedToParent);
});
try
{
    try
    {
        task.Wait();
    }
    catch (AggregateException ex)
    {
        foreach (var item in ex.InnerExceptions)
        {
            Console.WriteLine($"message{item.InnerException.Message}");
        }
        ex.Handle(x =>
        {
            if (x.InnerException.Message == "childTask1异常...")
            {
                return true;//异常被处理，不继续往上抛了
            }
            return false;
        });
    }
}
catch (Exception ex)
{
    throw;
}

二、并行Parallel

1、Parallel.For()、Parallel.ForEach()

在.NET4中，另一个新增的抽象的线程时Parallel类。这个类定义了并行的for和foreach的静态方法。Parallel.For()和Parallel.ForEach()方法多次调用一个方法，而Parallel.Invoke()方法允许同时调用不同的方法。首先Parallel是会阻塞主线程的，它将让主线程也参与到任务中

Parallel.For()类似于for允许语句，并行迭代同一个方法，迭代顺序没有保证的

ParallelLoopResult result = Parallel.For(0, 10, i =>
{
    Console.WriteLine($"{i} task:{Task.CurrentId} thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
});
Console.WriteLine(result.IsCompleted);

也可以提前中断Parallel.For()方法。For()方法的一个重载版本接受Action类型参数。一般不使用，像下面这样，本想大于5就停止，但实际也可能有大于5的任务已经在跑了。可以通过ParallelOptions传入允许最大线程数以及取消Token等

ParallelLoopResult result = Parallel.For(0, 10, new ParallelOptions() { MaxDegreeOfParallelism = 8 },(i,loop) =>
{
    Console.WriteLine($"{i} task:{Task.CurrentId} thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    if (i > 5)
    {
        loop.Break();
    }
});

2、Parallel.For

For还有一个高级泛型版本，相当于并行的聚合计算

ParallelLoopResult For<TLocal>(int fromInclusive, int toExclusive, Func<TLocal> localInit, Func<int, ParallelLoopState, TLocal, TLocal> body, Action<TLocal> localFinally);

像下面这样我们求0…100的和，第三个参数更定一个种子初始值，第四个参数迭代累计，最后聚合

int totalNum = 0;
Parallel.For<int>(0, 100, () => { return 0; }, (current, loop, total) =>
{
    total += current;
    return total;
}, (total) =>
{
    Interlocked.Add(ref totalNum, total);
});

上面For用来处理数组数据，ForEach()方法用来处理非数组的数据任务，比如字典数据继承自IEnumerable的集合等

3、Parallel.Invoke()

Parallel.Invoke()则可以并行调用不同的方法，参数传递一个Action的委托数组

Parallel.Invoke(() => { Console.WriteLine($"方法1 thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); }
    , () => { Console.WriteLine($"方法2 thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); }
    , () => { Console.WriteLine($"方法3 thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); });

4、PLinq

Plinq，为了能够达到最大的灵活度，linq有了并行版本。使用也很简单，只需要将原始集合AsParallel就转换为支持并行化的查询。也可以AsOrdered来顺序执行，取消Token，强制并行等

var nums = Enumerable.Range(0, 100);
var query = from n in nums.AsParallel()
            select new
            {
                thread=$"tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},datetime={DateTime.Now}"
            };

三、异步等待AsyncAwait

异步编程模型，可能还需要大篇幅来学习，这里先介绍下基本用法，内在本质需要用ILSpy反编译来看，以后可能要分专题总结。文末先给几个参考资料，有兴趣自己阔以先琢磨琢磨鸭

1、简单使用

这是.NET4.5开始提供的一对语法糖，使得可以较简便的使用异步编程。async用在方法定义前面，await只能写在带有async标记的方法中，任何方法都可以增加async，一般成对出现，只有async没有意义，只有await会报错，请先看下面的示例

private static async void AsyncTest()
{
    //主线程执行
    Console.WriteLine($"before await ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
    Task task = taskFactory.StartNew(() =>
    {
        Thread.Sleep(3000);
        Console.WriteLine($"task ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    });
    await task;//主线程到这里就返回了，执行主线程任务
    //子线程执行，其实是封装成委托，在task之后成为回调（编译器功能  状态机实现） 后面相当于task.ContinueWith()
    //这个回调的线程是不确定的：可能是主线程  可能是子线程  也可能是其他线程，在winform中是主线程
    Console.WriteLine($"after await ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
}

一般使用async都会让方法返回一个Task的，像下面这样复杂一点的

private static async Task<string> AsyncTest2()
{
    Console.WriteLine($"before await ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
    string x = await taskFactory.StartNew(() =>
      {
          Thread.Sleep(3000);
          Console.WriteLine($"task ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
          return "task over";
      });
    Console.WriteLine($"after await ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    return x;
}

通过var reslult = AsyncTest2().Result;调用即可。但注意如果调用Wait或Result的代码位于UI线程，Task的实际执行在其他线程，其需要返回UI线程则会造成死锁，所以应该Async all the way

2、优雅

从上面简单示例中可以看出异步编程的执行逻辑：主线程A逻辑->异步任务线程B逻辑->主线程C逻辑。

异步方法的返回类型只能是void、Task、Task。示例中异步方法的返回值类型是Task，通常void也不推荐使用，没有返回值直接用Task就是

上一篇也大概了解到如果我们要在任务中更新UI，需要调用Invoke通知UI线程来更新，代码看起来像下面这样，在一个任务后去更新UI

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    var ResultTask = Task.Run(() => {
        Thread.Sleep(5000);
        return "任务完成";
    });
    ResultTask.ContinueWith((r)=> 
    {
        textBox1.Invoke(() => {
            textBox1.Text = r.Result;
        });
    });
}

如果使用async/await会看起来像这样，是不是优雅了许多。以看似同步编程的方式实现异步

private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    var t = Task.Run(() => {
        Thread.Sleep(5000);
        return "任务完成";
    });
    textBox1.Text = await t;
}

3、最后

在.NET 4.5中引入的Async和Await两个新的关键字后，用户能以一种简洁直观的方式实现异步编程。甚至都不需要改变代码的逻辑结构，就能将原来的同步函数改造为异步函数。

在内部实现上，Async和Await这两个关键字由编译器转换为状态机，通过System.Threading.Tasks中的并行类实现代码的异步执行。

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