.NET中異步和多線程的應用

今天就跟大家聊聊有關.NET中異步和多線程的應用，可能很多人都不太了解，為了讓大家更加了解，小編給大家總結了以下內容，希望大家根據這篇文章可以有所收獲。

線程（英文：thread），操作系統技術中的術語，是操作系統能夠進行運算調度的最小單位，它被包涵在進程之中，是行程中的實際運作單位。

Async是異步串行端口，主要應用于Modem或Modem池的連接。它主要用于實現遠程計算機通過公用電話撥入網絡，數據速率不高，不要求通信設備之間保持同步。

一、任務Task

System.Threading.Tasks在.NET4引入，前面線程的API太多了，控制不方便，而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，在后臺使用ThreadPool

1、啟動任務

可以使用TaskFactory類或Task類的構造函數和Start()方法，委托可以提供帶有一個Object類型的輸入參數，所以可以給任務傳遞任意數據，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，主線程會等待，就是用主線程來執行這個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。Task中我們使用實例方法Wait阻塞單個任務或靜態方法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();//單任務等待
//Task.WaitAny(task, task2);//任何一個任務完成就繼續
Task.WaitAll(task, task2);//任務都完成才繼續

如果不希望阻塞主線程，實現當一個任務或幾個任務完成后執行別的任務，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里任務完成時自動完成，然后調用Task的ContinueWith方法，就可以在一個任務完成后緊跟開始另一個任務

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

3、任務層次結構

不僅可以在一個任務結束后執行另一個任務，也可以在一個任務內啟動一個任務，這就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，在創建任務時指定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，用于控制任務的創建和執行的可選行為的標志

AttachedToParent：指定將任務附加到任務層次結構中的某個父級，意思就是建立父子關系，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。上面例子如果在創建子任務時指定TaskCreationOptions.AttachedToParent，那么父任務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，建議設置此項。這樣，Task調度器會創建Thread線程，而不使用ThreadPool線程。因為你長時間占用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。實際通過把任務放到線程池的全局隊列中，讓工作線程去爭搶，默認是在本地隊列中。

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。什么意思呢？

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，然后通過CancellationToken來取消task2的執行。結果會是怎樣呢？結果task1和task3會并行執行（task3也是會執行的，而且是和task1并行，等于原來的一條鏈變成了兩條鏈），然后我們嘗試使用

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執行完成后，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的線程來執行，這樣防止線程切換，可以做些共有資源的訪問。不指定的話就隨機，但也能也用到task1的線程

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，我們使用一個變量isStop標記是否取消任務，這種訪問共享變量的方式難免會出問題。task中提出CancellationTokenSource類專門處理任務取消，常見用法看下面代碼注釋

CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();//構造函數中也可指定延遲取消
//注冊一個取消時調用的委托
source.Token.Register(() =>
{
    Console.WriteLine("當前source已經取消，可以在這里做一些其他事情（比如資源清理）...");
});
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);//延時取消

6、任務結果

讓子線程返回結果，可以將信息寫入到線程安全的共享變量中去，或則使用可以返回結果的任務。使用Task的泛型版本Task<TResult>，就可以定義返回結果的任務。Task是繼承自Task的，Result獲取結果時是要阻塞等待直到任務完成返回結果的，內部判斷沒有完成則wait。通過TaskStatus屬性可獲得此任務的狀態是啟動、運行、異常還是取消等

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

7、異常

可以使用AggregateException來接受任務中的異常信息，這是一個聚合異常繼承自Exception，可以遍歷獲取包含的所有異常，以及進行異常處理，決定是否繼續往上拋異常等

var task = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    var childTask1 = Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        throw new Exception("childTask1異常...");
    },TaskCreationOptions.AttachedToParent);
    var childTask12= Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        throw new Exception("childTask2異常...");
    }, 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異常...")
            {
                return true;//異常被處理，不繼續往上拋了
            }
            return false;
        });
    }
}
catch (Exception ex)
{
    throw;
}

二、并行Parallel

1、Parallel.For()、Parallel.ForEach()

在.NET4中，另一個新增的抽象的線程時Parallel類。這個類定義了并行的for和foreach的靜態方法。Parallel.For()和Parallel.ForEach()方法多次調用一個方法，而Parallel.Invoke()方法允許同時調用不同的方法。首先Parallel是會阻塞主線程的，它將讓主線程也參與到任務中

Parallel.For()類似于for允許語句，并行迭代同一個方法，迭代順序沒有保證的

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

也可以提前中斷Parallel.For()方法。For()方法的一個重載版本接受Action<int,parallelloopstate style="font-size: inherit; color: inherit; line-height: inherit; margin: 0px; padding: 0px;">類型參數。一般不使用，像下面這樣，本想大于5就停止，但實際也可能有大于5的任務已經在跑了。可以通過ParallelOptions傳入允許最大線程數以及取消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<TLocal>

For還有一個高級泛型版本，相當于并行的聚合計算

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

像下面這樣我們求0…100的和，第三個參數更定一個種子初始值，第四個參數迭代累計，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用來處理數組數據，ForEach()方法用來處理非數組的數據任務，比如字典數據繼承自IEnumerable的集合等

3、Parallel.Invoke()

Parallel.Invoke()則可以并行調用不同的方法，參數傳遞一個Action的委托數組

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，為了能夠達到最大的靈活度，linq有了并行版本。使用也很簡單，只需要將原始集合AsParallel就轉換為支持并行化的查詢。也可以AsOrdered來順序執行，取消Token，強制并行等

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

三、異步等待AsyncAwait

異步編程模型，可能還需要大篇幅來學習，這里先介紹下基本用法，內在本質需要用ILSpy反編譯來看，以后可能要分專題總結。文末先給幾個參考資料，有興趣自己闊以先琢磨琢磨鴨

1、簡單使用

這是.NET4.5開始提供的一對語法糖，使得可以較簡便的使用異步編程。async用在方法定義前面，await只能寫在帶有async標記的方法中，任何方法都可以增加async，一般成對出現，只有async沒有意義，只有await會報錯，請先看下面的示例

private static async void AsyncTest()
{
    //主線程執行
    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;//主線程到這里就返回了，執行主線程任務
    //子線程執行，其實是封裝成委托，在task之后成為回調（編譯器功能  狀態機實現） 后面相當于task.ContinueWith()
    //這個回調的線程是不確定的：可能是主線程  可能是子線程  也可能是其他線程，在winform中是主線程
    Console.WriteLine($"after await ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
}

一般使用async都會讓方法返回一個Task的，像下面這樣復雜一點的

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;
}

通過var reslult = AsyncTest2().Result;調用即可。但注意如果調用Wait或Result的代碼位于UI線程，Task的實際執行在其他線程，其需要返回UI線程則會造成死鎖，所以應該Async all the way

2、優雅

從上面簡單示例中可以看出異步編程的執行邏輯：主線程A邏輯->異步任務線程B邏輯->主線程C邏輯。

異步方法的返回類型只能是void、Task、Task。示例中異步方法的返回值類型是Task，通常void也不推薦使用，沒有返回值直接用Task就是

上一篇也大概了解到如果我們要在任務中更新UI，需要調用Invoke通知UI線程來更新，代碼看起來像下面這樣，在一個任務后去更新UI

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

如果使用async/await會看起來像這樣，是不是優雅了許多。以看似同步編程的方式實現異步

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

3、最后

在.NET 4.5中引入的Async和Await兩個新的關鍵字后，用戶能以一種簡潔直觀的方式實現異步編程。甚至都不需要改變代碼的邏輯結構，就能將原來的同步函數改造為異步函數。

在內部實現上，Async和Await這兩個關鍵字由編譯器轉換為狀態機，通過System.Threading.Tasks中的并行類實現代碼的異步執行。

看完上述內容，你們對.NET中異步和多線程有進一步的了解嗎？如果還想了解更多相關內容，歡迎關注億速云行業資訊頻道，感謝各位的閱讀。