C#沉淀-异步编程一

作者: 东南有大树 | 来源:发表于2018-09-29 15:00 被阅读92次

什么是异步

任务以固定的顺序被执行叫做同步，任务不按固定顺序执行则叫做异步

关于进程与线程

启动程序时，系统会在内存中创建一个新进程

进程是构成运行程序的资源的集合

这些资源包括虚地址空间、文件句柄和许多其他程序运行所需的东西

在进程内部，系统创建了一个称为线程的内核对象，它代表了真正执行的程序

Main方法是程序的入口，在这里，程序会开始线程的执行

要点：

默认情况下，一个进程只包含一个线程从程序的开始一直执行到程序的结束
线程可以派生其他线程，因此在任意时刻，一个进程都可以包含不同状态的多个线程，来执行程序的不同任务
如果一个进程拥有多个线程，它们将共享进程的资源
系统为处理器执行所规划的单元是线程，不是进程

示例一，不使用异步：

using System;
using System.Net;
using System.Diagnostics;

namespace CodeForAsync
{
    class MyDownloadString
    {
        //Stopwatch类可以用来计算资源耗时
        Stopwatch sw = new Stopwatch();

        public void DoRun()
        {
            const int LargeNumber = 6000000;
            sw.Start();//启动计时
            
            //调用两次下载资源的方法，测算时间消耗
            //下载百度资源
            int t1 = CountCharacters(1, "http://baidu.com");
            //下载搜狗资源
            int t2 = CountCharacters(2, "https://pinyin.sogou.com/");
            
            //调用四次循环方法，测算时间消耗
            CountToALargeNumber(1, LargeNumber);
            CountToALargeNumber(2, LargeNumber);
            CountToALargeNumber(3, LargeNumber);
            CountToALargeNumber(4, LargeNumber);

        }

        //下载网站资源
        private int CountCharacters(int id, string uristring)
        {
            //实例化一个WebClient对象，用于网站交互
            WebClient wc1 = new WebClient();
            Console.WriteLine("下载{0}开始运行 - 时间节点:{1} ms", id, sw.Elapsed.TotalMilliseconds);//sw.Elapsed.TotalMilliseconds表示一个毫秒级的时间跨度值

            //将请求资源下载为string格式
            string result = wc1.DownloadString(new Uri(uristring));
            Console.WriteLine("\t下载{0}运行结束 - 时间节点:{1} ms", id, sw.Elapsed.TotalMilliseconds);

            return result.Length;
        }

        //循环指定次数，不做任何操作
        private void CountToALargeNumber(int id, int value)
        {
            for (long i = 0; i < value; i++);
            Console.WriteLine("循环{0}运行结束 - 时间节点:{1} ms", id, sw.Elapsed.TotalMilliseconds);
        }
    }
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            MyDownloadString ds = new MyDownloadString();
            ds.DoRun();

            Console.ReadKey();
        }
    }
}

运行结果：

下载1开始运行 - 时间节点:2.1404 ms
        下载1运行结束 - 时间节点:413.6084 ms
下载2开始运行 - 时间节点:413.7037 ms
        下载2运行结束 - 时间节点:927.1802 ms
循环1运行结束 - 时间节点:949.9849 ms
循环2运行结束 - 时间节点:973.1916 ms
循环3运行结束 - 时间节点:995.1234 ms
循环4运行结束 - 时间节点:1017.0343 ms

从上例可以看出，执行的顺序是：下载1开始-下载1结束》下载2开始-下载2结束》循环1》循环2》循环3》循环4；它们的执行是有序的，如果上一步的任务未执行完毕，下一个任务是无法开始的

这里的循环并未消耗多少时间，而从网站下载资源的两个任务都消耗了比较多的资源，也就是说，在程序运行期间，所有的任务都会被这两个下载任务拖慢进度

示例二：使用异步

using System;
using System.Net;
using System.Diagnostics;
using System.Threading.Tasks;

namespace CodeForAsync
{
    class MyDownloadString
    {
        Stopwatch sw = new Stopwatch();

        public void DoRun()
        {
            const int LargeNumber = 6000000;
            sw.Start();

            //下载百度资源
            Task<int> t1 = CountCharactersAsync(1, "http://baidu.com");
            //下载搜狗资源
            Task<int> t2 = CountCharactersAsync(2, "https://pinyin.sogou.com/");
            //这里的返回结果将保存为一个Task<int>对象

            CountToALargeNumber(1, LargeNumber);
            CountToALargeNumber(2, LargeNumber);
            CountToALargeNumber(3, LargeNumber);
            CountToALargeNumber(4, LargeNumber);

        }

        //下载网站资源
        private async Task<int>  CountCharactersAsync(int id, string uristring)
        {
            //async为异步关键字
            //Task<int>表示一个可以返回值的异步操作

            //实例化一个WebClient对象，用于网站交互
            WebClient wc = new WebClient();
            Console.WriteLine("下载{0}开始运行 - 时间节点:{1} ms", id, sw.Elapsed.TotalMilliseconds);

            //将请求资源下载为string格式
            //await表示异步等待返回结果
            string result = await wc.DownloadStringTaskAsync(new Uri(uristring));
            Console.WriteLine("\t下载{0}运行结束 - 时间节点:{1} ms", id, sw.Elapsed.TotalMilliseconds);

            return result.Length;
        }

        //循环指定次数，不做任何操作
        private void CountToALargeNumber(int id, int value)
        {
            for (long i = 0; i < value; i++);
            Console.WriteLine("循环{0}运行结束 - 时间节点:{1} ms", id, sw.Elapsed.TotalMilliseconds);
        }
    }
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            MyDownloadString ds = new MyDownloadString();
            ds.DoRun();

            Console.ReadKey();
        }
    }
}

运行结果：（多运行几次，结果可能不一样）

下载1开始运行 - 时间节点:3.7227 ms
下载2开始运行 - 时间节点:250.3289 ms
        下载1运行结束 - 时间节点:271.565 ms
循环1运行结束 - 时间节点:297.6998 ms
循环2运行结束 - 时间节点:321.2623 ms
循环3运行结束 - 时间节点:344.1153 ms
循环4运行结束 - 时间节点:371.043 ms
        下载2运行结束 - 时间节点:637.35 ms

结果分析：与第一个示例比较可以看出，异步的结果很不一样；在先后开启两个下载后，并没有等待下载完成，就直接开始了循环任务，也就是说在下载任务运行的同时，仍然可以操作别的任务；示例一所有任务完成后的时间节点是1017.0343 ms，而这里所有任务完成后的时间节点是637.35 ms，节省了将近一半的时间

接下来将详细讲解关于异步的知识

C# 5.0引入了一个用来构建异步方法的新特性——anync/await，还有一些异步特性没有包含在C#中，而是放在了.NET框架里

async/await 特性的结构

异步的方法会在处理完成之前就返回到调用方法

async/await的特性：

调用方法（calling method）：该方法调用异步方法，然后在异步方法（可能是相同的线程，也可能在不同的线程）执行其任务的时候继续执行
异步（async）：该方法异步执行其工作，然后立即返回到调用方法
await表达式：用于异步方法内部，指明需要异步执行的任务。一个异步方法可以包含任意多个await表达式，不过一个都不包含的话编译器会发出警告

异步语法

调用方法

Task<int> value = SomeClass.FuncAsync(1, 2);  //这被称作是调用方法

异步方法

static class SomeClass
{
    //被async标识的方法为一个异步方法
    public static async Task<int> FuncAsync(int x, int y)
    {
        //异步方法内部至少有一个await表达式
        int sum = await Task.Run(() => x + y);
        return sum;
    }
}

Task.Run()表式开启一个异步任务，参数是一个委托，这里使用了Lambda表达式

异步方法解析

异步方法在完成其工作的之前即返回到调用方法，然后在调用方法继续执行的时候完成其他工作

在语法上，异步方法具有如下特点：

方法头中包含async方法修饰符
包含一个或多个await表达式，表示可以异步完成的任务
必须具备以下三种返回类型（Task与Task<T>所返回的对象表示将在未来完成的工作，调用方法和异步方法可以继续执行
- void
- Task
- Task<T>
异步方法的参数可以为任意类型任意数量，但不能out和ref参数
按照约定，异步方法的名称应该以Async为后缀
除了方法以外，Lambda表达式和匿名方法也可以作为异步对象

//方法拥有async关键字
//这里的返回类型为Task<T>类型
async Task<int> FuncAsync(int x, int y)
{
    //await 表达式
    int sum = await Task.Run(() => x + y);
    //返回语句
    return sum;
}

异步方法在方法头中必须包含async关键字，而且必须出现在返回类型之前

async是个修饰符，只表示该方法将包含一个或多个awai表达式，也就是说，async本身并不能创建异步操作

async是一个上下文关键字，也就是说除了用途方法修饰符之外，async还可用作标识符

Task<T>：如果调用方法要从调用中获取一个T类型的值，异步方法的返回类型就必须是Task<T>

调用方法通过读取Task的Result属性来获取这个T类型的值

任何返回Task<T>类型的异步方法其返回值必须是T类型或可以隐式转换为T的类型

示例：

Task<int> value = SomeClass.FuncAsync(1, 2);  //这被称作是调用方法
int re = value.Result; //获取T类型的值

Task:如果调用方法不需要从调用中返回某个值，便需要检查异步方法的状态，那么异步方法可以返回一个Task类型的对象。这时，即使异步方法中出现了return语句，也不会返回任何东西

示例：

Task someTask = SomeClass.FuncAsync(1, 2);  //这被称作是调用方法
someTask.Wait();

void: 如果调用方法仅仅想执行异步方法，而不需要与它做任何进一步的交互时【这称为“调用并忘记”】，异步方法可以返回void类型，这时，即使异步方法中有return语句，也不会返回任何东西

异步就去的控制流

异步方法的结构包含三个不同的区域

第一部分为await表达式之前的代码
第二部分为awiat表达式
第三部分为await表达式之后的代码

如下图示例中，蓝色框为第一部分，绿色框为第二部分，黄色框为第三部分；因为先执行await表达式，再执行赋值语句，所以string result=属于第三部分

通过这个图例分析得出，因为await会执行一个异步任务，所以，它之前的代码也就是第一部分代码最好是简短而耗时短的任务，以便以更快的速度执行await表达式

上图阐明了一个异步方法的控制流，它从第一个await表达式之前的代码开始，正常执行（同步地）直到遇见第一个await。这一区域实际上是在第一个await表达式处结束，此时await任务还没有完成（大多数情况正如此）。当await任务完成时，访求继续同步执行。如果还有其他await，就重复上述过程。

当达到await表达式时，异步方法将控制返回到调用方法。如果方法的返回类型为Task<T>或Task类型，将创建一个Task对象，表示需异步完成的任务和后续，然后将该Task返回到调用方法

亲自测试上面的流程：

using System;
using System.Net;
using System.Diagnostics;
using System.Threading.Tasks;
using System.Threading;

namespace CodeForAsync
{
    class Program
    {
        static int id = 0;
        //定义一个异步方法，返回Task<int>类型对象
        static async Task<int> fun()
        {
            //执行第一部分代码即await表达式之前
            Console.WriteLine("步骤{0}异步方法内部：第1部分", ++id);

            //执行第二部分代码
            //当遇到await表达的时候，会返回到调用方法
            int x = await Task.Run(() =>
            {
                Thread.Sleep(1000 * 3);//消耗3秒钟
                Console.WriteLine("步骤{0}异步方法内部：第2部分", ++id);
                return 0;
            });

            //执行第三部分代码 
            Console.WriteLine("步骤{0}异步方法内部：第3部分", ++id);
            return x;

        }
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("步骤{0}异步方法外，准备开始调用异步方法", ++id);

            Task<int> y = fun();

            Console.WriteLine("步骤{0}异步方法外，调用异步方法之后", ++id);

            Console.WriteLine("步骤{0}访问异步方法的返回值：{1}", ++id, y.Result);

            Console.ReadKey();
        }
    }
}

输出：

步骤1异步方法外，准备开始调用异步方法
步骤2异步方法内部：第1部分
步骤3异步方法外，调用异步方法之后
步骤5异步方法内部：第2部分
步骤6异步方法内部：第3部分
步骤4访问异步方法的返回值：0

解析：

步骤1是在调用异步方法外发生的，这个没有什么疑问
步骤2是在调用了异步方法后，执行了异步方法内的await表达式之前的代码
步骤3是在异步方法遇到await表达式后，因为需要耗时3秒，所以直接返回到了调用方法，也就是到了异步方法之外，继续执行异步方法之外的代码，同时异步方法awiat表达式所指定的代码也在执行
步骤5与步骤6是消耗完3秒后输出的内容，表示异步的内容也执行完了
重点，为什么步骤4会在最后输出呢？首先步骤4是异步方法外的代码，所以当异步方法内部遇到await返回调用方法，依次被执行的是步骤3和步骤4，步骤3很快被输出没有问题，但步骤4使用了异步方法的返回类型中的值，而这个值必须在3秒消耗完后才有，如果在异步方法执行期间没有得到返回值，调用Task<int>去访问int类型的值，便会一直等待下去，所以步骤4是在异步完成后才输出的

另一个需要注意的地方是，异步方法的返回值并不是一个Task<int>类型的，而是一个int类型的值，这里将其进行了隐式的转换；如果返回类型是Task类型，return并不会返回任何值，只是退出了异步方法

await表达式

await表达式指定了一个异步执行的任务

await 后面的是一个空闲对象（称为任务），这个任务可能是一个Task类型的对象，也可能不是。默认情况下，这个任务在当前线程异步运行

await task

一个空闲对象即是一个awaitable类型的实例

awaitable类型指的是包含GetAwaiter方法的类型，该方法没有参数，返回一个称为awaiter类型的对象。awaiter类型包含以下成员：

bool IsCompleted {get;}
void OnCompleted (Action);
void GetResult();
T GetResult();

对于awaitalbe类型，无须息构建，只要使用Task即可，它也是awaitable类型的

Taks.Run()可以创建一个Task，它会在不同的线程上运行你的方法

Taks.Run()的签名如下：

Task.Run(Func<TReturn> func)

因此可以将一个泛型委托传进去

不过，Task.Run()具有很多重载，这里不一一详解，我们举一反三即可

示例，使用4个Task.Run()重载：

using System;
using System.Net;
using System.Diagnostics;
using System.Threading.Tasks;
using System.Threading;

namespace CodeForAsync
{
    static class MyClass
    {
        public static async Task DowWorkAsync()
        {
            //public static Task Run(Action action);
            await Task.Run(() => Console.WriteLine("5"));

            //public static Task<TResult> Run<TResult>(Func<TResult> function);
            Console.WriteLine((await Task.Run(() => "6")).ToString());

            //public static Task Run(Func<Task> function);
            await Task.Run(() => Task.Run(()=>Console.WriteLine("7")));

            //public static Task<TResult> Run<TResult>(Func<Task<TResult>> function);
            int value = await Task.Run(() => Task.Run(() => 8));
            Console.WriteLine(value.ToString());
        }
    }
    
    class Program
    {

        static void Main(string[] args)
        {
            Task t = MyClass.DowWorkAsync();
            t.Wait();
            Console.WriteLine("---");

            Console.ReadKey();
        }
    }
}

输出：

5
6
7
8
---

取消一个异步操作

System.Threading.Tasks命名空间中有两个类是为此目的而设计的：CancellationToken和CancellationTokenSource

CancellationToken对象包含一个任务是否被取消的信息
拥有CancellationToken对象的任务需要定期检查其令牌（token）状态。如果CancellationToken对象的IsCancellationRequested属性为true，任务需停止其操作并返回
CancellationToken是不可逆的，并且只能使用一次。也就是说，一旦IsCancellationRequested属性被设置为true，就不能更改了
CancellationTokenSource对象创建可分配给不同任务的CancellationToken对象。任何持有CancellationTokenSource的对象都可以调用其Cancel方法，这会将CancellationToken的IsCancellationRequested属性设置为true

示例：

using System;
using System.Net;
using System.Diagnostics;
using System.Threading.Tasks;
using System.Threading;

namespace CodeForAsync
{
    class MyClass
    {
        public async Task RunAsync(CancellationToken ct)
        {
            if (ct.IsCancellationRequested)
                return;

            await Task.Run(()=>CycleMethod(ct),ct);
        }

        void CycleMethod(CancellationToken ct)
        {
            Console.WriteLine("Starting CycleMethod");

            const int max = 10;
            for (int i = 0; i < max; i++)
            {
                if (ct.IsCancellationRequested)
                    return;
                Thread.Sleep(1000);
                Console.WriteLine("    {0} of {1} iterations completed", i+1, max);
            }
        }
    }
    
    class Program
    {

        static void Main(string[] args)
        {
            CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
            CancellationToken token = cts.Token;

            MyClass mc = new MyClass();
            Task t = mc.RunAsync(token);

            Thread.Sleep(3000);
            cts.Cancel();//3秒后将token的IsCancellationRequested改为true

            t.Wait();
            Console.WriteLine("Was Cancelled: {0}",token.IsCancellationRequested);

            Console.ReadKey();
        }
    }
}

输出：

Starting CycleMethod
    1 of 10 iterations completed
    2 of 10 iterations completed
    3 of 10 iterations completed
Was Cancelled: True

C#沉淀-异步编程一

什么是异步

关于进程与线程

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异步语法

异步方法解析

异步就去的控制流

await表达式

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