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异步编程模型

一、引言

.NET中很多的类、接口在设计的时候都考虑了多线程问题，简化了多线程程序的开发，不用自己去写WaitHandler等这些底层的代码，由于历史的发展，这些类的接口设计有着三种不同的风格：EAP、APM和TPL。目前重点用TPL。

二、EAP

EAP是Event-based Asynchronous Pattem（基于事件的异步模型）的简写，类似于Ajax中的XmlHttpRequest，send之后并不是处理完成了，而是在onreadystatechange事件中再通知处理完成。看下面的一个示例。

我们创建一个Winform程序，窗体上面有一个按钮和一个文本框，点击按钮开始下载，下载完成以后给文本框赋值，界面如图所示：

开始下载代码如下：

using System;
using System.Net;
using System.Windows.Forms;

namespace EAPDemo
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        /// <summary>
        /// 开始下载
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void btnDownload_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            // 实例化对象
            WebClient wc = new WebClient();
            // 注册完成事件
            wc.DownloadStringCompleted += Wc_DownloadStringCompleted;
            // 异步下载 不会阻塞界面，窗体可以随意拖动
            wc.DownloadStringAsync(new Uri("http://www.baidu.com"));
        }

        /// <summary>
        /// 下载完成事件
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void Wc_DownloadStringCompleted(object sender, DownloadStringCompletedEventArgs e)
        {
            // 给文本框赋值
            txtContent.Text = e.Result;
        }
    }
}

程序执行的时候，界面可以随意拖动，不会卡住界面，而使用同步方法就会卡住界面，使用同步方法时放到一个单独的线程里面也可以实现不卡住界面，但是那种写法比较复杂，直接使用异步方法就可以完成。

EAP的优点是简单，缺点是当实现复杂的业务的时候很麻烦，比如下载A成功后再下载B，如果下载B成功再下载C，否则就下载D。

EAP的类的特点是：一个异步方法配合一个***Completed事件。.NET中基于EAP的类比较少，也有更好的替代品，因此了解即可。

三、APM

APM（Asynchronous Programming Model）的缩写，是.NET旧版本中广泛使用的异步编程模型。使用了APM的异步方法会返回一个IAsyncResult 对象，这个对象有一个重要的属性：AsyncWaitHandle。它是一个用来等待异步任务执行结束的一个同步信号。看下面的一个示例。

界面上由一个按钮和一个文本框，点击按钮开始读取文件内容，读取完毕之后给文本框赋值，界面如下图所示：

按钮代码如下：

using System;
using System.IO;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;

namespace APMDemo
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void btnRead_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            // 打开文件
            FileStream fs = File.OpenRead("F:/test.txt");
            // 声明数组
            byte[] buffer = new byte[1024];
            // BeginRead开始读取
            IAsyncResult aResult = fs.BeginRead(buffer, 0, buffer.Length, null, null);
            //等待任务执行结束
            aResult.AsyncWaitHandle.WaitOne();
            this.txtContent.Text = Encoding.UTF8.GetString(buffer);
            // 结束读取
            fs.EndRead(aResult);
        }
    }
}

因为里面使用了WaitOne()，这里会产生等待，如果等待时候过长，还是会产生界面卡顿，所以最好还是放到多线程里面去执行，修改后的代码如下：

using System;
using System.IO;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Windows.Forms;

namespace APMDemo
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void btnRead_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            //// 打开文件
            //FileStream fs = File.OpenRead("F:/test.txt");
            //// 声明数组
            //byte[] buffer = new byte[1024];
            //// BeginRead开始读取
            //IAsyncResult aResult = fs.BeginRead(buffer, 0, buffer.Length, null, null);
            ////等待任务执行结束
            //aResult.AsyncWaitHandle.WaitOne();
            //this.txtContent.Text = Encoding.UTF8.GetString(buffer);
            //// 结束读取
            //fs.EndRead(aResult);

            #region 多线程
            ThreadPool.QueueUserWorkItem(state => 
            {
                // 打开文件
                FileStream fs = File.OpenRead("F:/test.txt");
                // 声明数组
                byte[] buffer = new byte[1024];
                // BeginRead开始读取
                IAsyncResult aResult = fs.BeginRead(buffer, 0, buffer.Length, null, null);
                //等待任务执行结束
                aResult.AsyncWaitHandle.WaitOne();
                this.txtContent.BeginInvoke(new Action(() => 
                {
                    this.txtContent.Text= Encoding.UTF8.GetString(buffer); ;
                }));
                // 结束读取
                fs.EndRead(aResult);
            });
            #endregion
        }
    }
}

如果不加 aResult.AsyncWaitHandle.WaitOne() 那么很有可能打印出空白，因为 BeginRead只是“开始读取”。调用完成一般要调用 EndXXX 来回收资源。

APM 的特点是：方法名字以 BeginXXX 开头，返回类型为 IAsyncResult，调用结束后需要EndXXX。

.Net 中有如下的常用类支持 APM：Stream、SqlCommand、Socket 等。

APM 还是太复杂，了解即可。

四、TPL

TPL（Task Parallel Library）是.NET 4.0之后带来的新特性，更简洁，更方便。现在在.NET平台下已经被广泛的使用。我们看下面的一个示例。

界面有一个开始按钮和一个文本框，点击按钮开始读取文件内容，读取完毕赋值到文本框中，开始按钮代码如下：

using System;
using System.IO;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;

namespace TPLDemo
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private  void btnRead_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            // 打开文件
            using (FileStream fs = File.OpenRead("F:/test.txt"))
            {
                // 声明数组
                byte[] buffer = new byte[1024];
                // BeginRead开始读取
                Task<int> task = fs.ReadAsync(buffer, 0, buffer.Length);
                // 等待
                task.Wait();
                this.txtContent.Text = Encoding.UTF8.GetString(buffer);
            }
        }
    }
}

执行task.Wait()的时候如果比较耗时，也会造成界面卡顿，所以最好还是放到一个单独的线程中取执行，优化后的代码如下：

using System;
using System.IO;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;

namespace TPLDemo
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private  void btnRead_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            //// 打开文件
            //using (FileStream fs = File.OpenRead("F:/test.txt"))
            //{
            //    // 声明数组
            //    byte[] buffer = new byte[1024];
            //    // BeginRead开始读取
            //    Task<int> task = fs.ReadAsync(buffer, 0, buffer.Length);
            //    // 等待
            //    task.Wait();
            //    this.txtContent.Text = Encoding.UTF8.GetString(buffer);
            //}


            // 开启一个线程
            ThreadPool.QueueUserWorkItem(state =>
            {
                // 打开文件
                using (FileStream fs = File.OpenRead("F:/test.txt"))
                {
                    // 声明数组
                    byte[] buffer = new byte[1024];
                    // BeginRead开始读取
                    Task<int> task = fs.ReadAsync(buffer, 0, buffer.Length);
                    // 等待
                    task.Wait();
                    this.txtContent.Invoke(new Action(() =>
                    {
                        this.txtContent.Text = Encoding.UTF8.GetString(buffer);
                    }));
                }
            });
        }
    }
}

这样用起来和APM相比的好处是：不需要EndXXX。但是TPL还有更强大的功能，那就是异步方法，我们在界面上在增加一个按钮用来演示使用异步方法，其实现代码如下：

using System;
using System.IO;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;

namespace TPLDemo
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private  void btnRead_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            //// 打开文件
            //using (FileStream fs = File.OpenRead("F:/test.txt"))
            //{
            //    // 声明数组
            //    byte[] buffer = new byte[1024];
            //    // BeginRead开始读取
            //    Task<int> task = fs.ReadAsync(buffer, 0, buffer.Length);
            //    // 等待
            //    task.Wait();
            //    this.txtContent.Text = Encoding.UTF8.GetString(buffer);
            //}


            // 开启一个线程
            ThreadPool.QueueUserWorkItem(state =>
            {
                // 打开文件
                using (FileStream fs = File.OpenRead("F:/test.txt"))
                {
                    // 声明数组
                    byte[] buffer = new byte[1024];
                    // BeginRead开始读取
                    Task<int> task = fs.ReadAsync(buffer, 0, buffer.Length);
                    // 等待
                    task.Wait();
                    this.txtContent.Invoke(new Action(() =>
                    {
                        this.txtContent.Text = Encoding.UTF8.GetString(buffer);
                    }));
                }
            });
        }

        /// <summary>
        /// 异步读取方法
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private async void btnAsync_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            // 打开文件
            using (FileStream fs = File.OpenRead("F:/test.txt"))
            {
                // 声明数组
                byte[] buffer = new byte[1024];
                // BeginRead开始读取
                await fs.ReadAsync(buffer, 0, buffer.Length);
                this.txtContent.Text = Encoding.UTF8.GetString(buffer);
            }
        }
    }
}

使用异步方法，要把方法标记为异步的，就是将方法标记为async，然后方法中使用await，await表示等待ReadAsync执行结束。

注意：方法中如果使用了await，那么方法就必须标记为async，但也不是所有方法都可以被轻松的标记为async。WinForm中的事件处理方法都可以被标记为async，MVC中的Action方法也可以被标记为async，控制台的Main方法则不能被标记为async。

TPL的特点是：方法都以XXXAsync结尾，返回值类型是泛型的Task<T>。

TPL让我们可以用线性的方式去编写异步程序，不在需要像EAP中那样搞一堆回调、逻辑跳来跳去了。await现在已经被JavaScript借鉴走了！

我们用await实现下面的一个功能：先下载A，如果下载的内容长度大于100则下载B，否则下载C。代码实现如下：

using System;
using System.Net;
using System.Windows.Forms;

namespace AwaitDemo
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private async void btnDownload_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            WebClient wc = new WebClient();
            string str=await wc.DownloadStringTaskAsync("http://www.baidu.com");
            if(str.Length>100)
            {
                str = await wc.DownloadStringTaskAsync("https://www.jd.com/");
            }
            else
            {
                str = await wc.DownloadStringTaskAsync("http://www.dangdang.com/");
            }
            this.txtContent.Text = str;
        }
    }
}

Task<T>中的T是什么类型在每个方法中都不一样，具体是什么类型要看文档。

WebClient、Stream、Socket等这些“历史悠久”的类都同时提供了APM、TPL更改的API，甚至有的还提供了EAP风格的API。这里建议尽可能的使用TPL风格的。

五、如何编写异步方法

在上面的示例中，我们都是使用的.NET框架给我们提供好的API，如果我们想自己编写异步方法该怎么办？因为目前Task使用最广泛，所以我们这里以TPL为例讲解如何编写自己的异步方法。

首先异步方法的返回值要是Task<T>类型，方法里面返回一个Task类型，潜规则（不要求）是方法名字以Async结尾，这样就会知道这是一个异步方法。看下面的例子：

/// <summary>
/// 自定义异步方法，返回类型是string
/// </summary>
/// <returns></returns>
private Task<string> TestTask()
{
    return Task.Run<string>(() => 
    {
        // 让线程休眠3秒，模拟一个耗时的操作
        Thread.Sleep(3000);
        return "这是一个异步方法";
    });
}

这样就编写好了一个异步方法。那么怎么使用这个异步方法呢？使用方法跟我们使用.NET框架提供的异步方法一样，看下面调用异步方法的代码：

using System;
using System.Net;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;

namespace AwaitDemo
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private async void btnDownload_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            WebClient wc = new WebClient();
            string str=await wc.DownloadStringTaskAsync("http://www.baidu.com");
            if(str.Length>100)
            {
                str = await wc.DownloadStringTaskAsync("https://www.jd.com/");
            }
            else
            {
                str = await wc.DownloadStringTaskAsync("http://www.dangdang.com/");
            }
            this.txtContent.Text = str;
        }

        /// <summary>
        /// 自定义异步方法，返回类型是string
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        private Task<string> TestTask()
        {
            return Task.Run<string>(() => 
            {
                // 让线程休眠3秒，模拟一个耗时的操作
                Thread.Sleep(3000);
                return "这是一个异步方法";
            });
}

        /// <summary>
        /// 调用自定义的异步方法
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private async void btnCall_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            string str = await TestTask();
            this.txtContent.Text = str;
        }
    }
}

程序输出结果：

这样就可以调用自己写的异步方法了。

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