C＃：异步编程和线程的使用（.NET 4.5 ）

异步编程和线程处理是并发或并行编程非常重要的功能特征。为了实现异步编程，可使用线程也可以不用。将异步与线程同时讲，将有助于我们更好的理解它们的特征。

本文中涉及关键知识点

1. 异步编程

2. 线程的使用

3. 基于任务的异步模式

4. 并行编程

5. 总结

• 异步编程

什么是异步操作？异步操作是指某些操作能够独立运行，不依赖主流程或主其他处理流程。通常情况下，C＃程序从Main方法开始，当Main方法返回时结束。所有的操作都是按顺序执行的。执行操作是有序列的，一个操作必须等到其前面的操作完成才能够执行。如以下代码示例：

static void Main(string[] args)

{

DoTaskOne();

DoTaskTwo();

}

“DoTaskOne”方法结束后，DoTaskTwo()才能够执行。

异步编程中常用后台运行的方法体现，主调用线程不会被阻塞。调用后台运行的方法后，执行流程会立即返回到调用的线程并继续执行其他任务。后台运行方法通常是用线程或任务来实现。

在上面的例子中，在“DoTaskOne”方法调用成功后，如果“DoTaskOne”是异步调用，，执行流程立即返回到Main方法中，并继续执行“DoTaskTwo” 方法。

C#提供了Thread类创建线程实现异步编程，或者使用.NET提供的异步模式实现异步编程。.NET中提供了三种不同的异步模式：

1. 异步编程模型（APM）模式

2. 基于事件的异步模式（EAP）

3. 基于任务的异步模式（TAP）

前两种模型微软官方并不推荐使用，本文不再详细描述。我们将详细讨论基于任务的异步模式（TAP）：

• 线程的使用

在.NET 4.5中引入了异步编程模式，大部分情况下都不需要我们手动创建线程。编译器已经替代了开发人员来完成这项工作。

创建新线程是非常耗时的。一般情况下，异步和并行编程使用 “基于任务的异步模式（TAP）”和“任务并行库（TPL）”就够了。如果需要控制线程的功能则需要使用其他模式。

TAP和TPL都是基于任务。一般来说任务是从线程池中调用线程（ 线程池是.NET框架创建的和维护的线程集。如果我们使用任务，就不需要直接调用线程池。

任务可以在以下情况运行：

1. 在正在运行的线程中

2. 在新线程中

3. 从线程池中的某一线程中

4. 没有线程也可以运行

如果使用任务机制，开发人员就不必担心线程的创建或使用，.NET框架已经为我们解决了这一难题。

有时候需要控制线程，执行以下操作：

1. 设置线程名称

2. 设置线程优先级

3. 设置线程是前端或后端运行

我们可以使用线程类来创建线程。

使用Thread类创建线程

Thread类的构造函数接收委托类型的参数

1. ThreadStart：定义了返回值为空的方法，且不带参数的方法。

2. ParameterizedThreadStart：定义了返回值为空且有一个object类型的参数。

下面是一个简单的例子，使用 Start方法启动一个新线程：

static void Main(string[] args)

{

Thread thread = new Thread(DoTask);

thread.Start();// Start DoTask method in a new thread

//Do other tasks in main thread

}

static public void DoTask() {

//do something in a new thread

}

可以用Lamda表达式代替线程名称：

static void Main(string[] args)

{

Thread thread = new Thread(() => {

//do something in a new thread

});

thread.Start();// Start a new thread

//Do other tasks in main thread

}

如果不需要引用变量，可如下直接启动线程：

static void Main(string[] args)

{

new Thread(() => {

//do something in a new thread

}).Start();// Start a new thread

//Do other tasks in main thread

}

但是，如果想控制线程对象，对线程设置一些属性，需要在线程创建后引用线程变量。如下可给线程对象的不同属性设值：

static void Main(string[] args)

{

Thread thread = new Thread(DoTask);

thread.Name = "My new thread";// Asigning name to the thread

thread.IsBackground = false;// Made the thread forground

thread.Priority = ThreadPriority.AboveNormal;// Setting thread priority

thread.Start();// Start DoTask method in a new thread

//Do other task in main thread

}

调用引用变量，可以执行一些操作如中止线程或通过调用join方法等待阻塞线程。

如果需要通过函数传值，可以给Start方法传值。由于该方法的参数为Object类型，因此需要强制转换类型。

static void Main(string[] args)

{

Thread thread = new Thread(DoTaskWithParm);

thread.Start("Passing string");// Start DoTaskWithParm method in a new thread

//Do other task in main thread

}

static public void DoTaskWithParm(object data)

{

//we need to cast the data to appropriate object

}

“async”和“await”关键字

.NET框架引入了两个新的关键字来实现异步编程：“async”和“await”。使用 “await”的异步方法必须由“async”修饰符来声明方法。“await”关键字修饰调用异步方法。await 运算符应用于一个异步方法中的任务以挂起该方法的执行，直到等待任务完成.如下： 

private async static void CallerWithAsync()// async modifier is used

{

string result = await GetSomethingAsync();// await is used before a method call. It suspends
   //execution of CallerWithAsync() method and control returs to the calling thread that can
          //perform other task.

Console.WriteLine(result);
   // this line would not be executed before GetSomethingAsync() //method completes

}

而“ async ”修饰符只能用于返回值为Task类型或Void的方法。它不能用于主程序的切入点。

所有的方法之前不能使用await关键字，使用“await”关键字方法必须返回 “可等待”类型。以下属于“可等待”类型：

1. Task

2. Task<T>

3. 自定义“可等待”类型。

• 基于任务的异步模式

首先我们需要声明一个返回类型为Task或Task<T>的异步方法。可以通过以下几种方式创建任务：

1. Task.Factory.StartNew方法：在之前的.NET版本（在.NET 4中），是创建和启动任务的主要方法。

2. Task.Run或Task.Run <T>方法：从.NET 4.5这个方法已经被使用。此方法足以满足常见情况。

3. Task.FromResult方法：如果结果是已计算，就可以用这个方法来创建任务。

创建并等待一个任务

使用Task.Run <T>方法创建Task。该方法将特定工作按顺序排列在线程池中运行，并返回工作的任务句柄。需要以下步骤从同步方法中创建异步任务：

1. 假设下面方法是同步的，但需要一定的时间来完成：

static string Greeting(string name)

{

Thread.Sleep(3000);

return string.Format("Hello, {0}", name);

}

2. 要以异步方式访问此方法，必须以异步方式封装。命名为“GreetingAsync”。增加“Async”的后缀命名异步方法。

static Task<string> GreetingAsync(string name)

{

return Task.Run<string>(() =>

{

return Greeting(name);

});

}

3.现在，可通过使用的await关键字调用异步方法GreetingAsync

private async static void CallWithAsync()

{

//some other tasks

string result = await GreetingAsync("Bulbul");

//We can add multiple “await” in same “async” method

//string result1 = await GreetingAsync(“Ahmed”);

//string result2 = await GreetingAsync(“Every Body”);

Console.WriteLine(result);

}

当“CallWithAsync”方法被调用时，与常规的同步方法一样执行，直到遇到“await”的关键字。当它执行到 await的关键字会处理执行，并开始等待“GreetingAsync（” Bulbul “）” 方法被完成。同时，程序流将返回” CallWithAsync “方法的调用者，并继续执行调用者的任务。

当“GreetingAsync（" Bulbul "） 方法完成，“CallWithAsync”的方法恢复 “await关键字后的其他任务。在本实例中，将继续执行的代码“Console.WriteLine（result）”

4. 使用任务持续：Task类 “ContinueWith”的方法定义了Task完成后被调用的代码。

private static void CallWithContinuationTask()

{

Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");

t1.ContinueWith(t =>

{

string result = t.Result;

Console.WriteLine(result);

});

}

如果使用“ContinueWith”的方法就不需要使用“await“关键字，编译器会自动在合适的位置中添加“await”关键字。

等候多​​个异步方法。

看看下面的代码：

private async static void CallWithAsync()

{

string result = await GreetingAsync("Bulbul");

string result1 = await GreetingAsync(“Ahmed”);

Console.WriteLine(result);

Console.WriteLine(result1);

}

有两个正在等待调用函数序列。“GreetingAsync（” Ahmed “）” 会在完成第一个呼叫“GreetingAsync（” Bulbul “）” 之后启动。如果“result”和上面的代码“result1”是独立的，那么连续的“awiating”并不是一个好的做法。

在这种情况下，我们可以简化调用方法，不需要添加多个“await”关键字，只在一个地方添加await关键字，如下所示，这种情况下，该方法的调用都可以并行执行。

private async static void MultipleAsyncMethodsWithCombinators()

{

Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");

Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed");

await Task.WhenAll(t1, t2);

Console.WriteLine("Finished both methods.
 " +

"Result 1: {0}
 Result 2: {1}", t1.Result, t2.Result);

}

在这里，我们使用Task.WhenAll连接器。Task.WhenAll创建一个任务，将完成所有的提供的任务。Task类也有其他的结合器。Task.WhenAny，当所任务链中所有的任务完成时，结束使用。

处理异常

必须把“await的代码块放在try块内捕获异常。

private async static void CallWithAsync()

{

try

{

string result = await GreetingAsync("Bulbul");

}

catch (Exception ex)

{

Console.WriteLine(“handled {0}”, ex.Message);

}

}

如果try块中有多个“await”，只有第一个” await“异常会被处理，其他“await”将无法被捕捉。如果希望所有的方法都能捕获异常，不能使用“await”关键字调用方法，使用Task.WhenAll来执行任务。

private async static void CallWithAsync()

{

try

{

Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");

Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed");

await Task.WhenAll(t1, t2);

}

catch (Exception ex)

{

Console.WriteLine(&ldquo;handled {0}&rdquo;, ex.Message);

}

}

捕获所有任务的错误一种方法是在try块之外声明任务，这样可以从try块进行访问，并检查任务的“IsFaulted”属性。如果它存在异常那么“IsFaulted”属性值为True，就可捕获任务实例的内部异常。

还有另一个更好的办法：

static async void ShowAggregatedException()

{

Task taskResult = null;

try

{
Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");

Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed");

await (taskResult = Task.WhenAll(t1, t2));

}

catch (Exception ex)

{

Console.WriteLine("handled {0}", ex.Message);

foreach (var innerEx in taskResult.Exception.InnerExceptions)

{
Console.WriteLine("inner exception {0}", nnerEx.Message); }
}

}

取消任务

在此之前，如果从线程池中调用线程，线程是不可能取消。现在，Task类提供了一个方法基于CancellationTokenSource类能够取消已启动的任务，取消任务步骤：

1. 异步方法应该除外 “ CancellationToken” 参数类型

2. 创建CancellationTokenSource类实例：

    var cts =new CancellationTokenSource();

3. 传递CancellationToken，如：

  Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul", cts.Token);

4. 长时间运行的方法中，必须调用CancellationToken 的ThrowIfCancellationRequested（）方法。

 static string Greeting(string name, CancellationToken token){

Thread.Sleep(3000);

token. ThrowIfCancellationRequested();

return string.Format("Hello, {0}", name);

}

5. 从等待的Task中捕获 OperationCanceledException异常。

 6. 如果通过调用CancellationTokenSource的实例的方法执行取消操作，将从长时间运行操作中抛出OperationCanceledException异常。也可以设置取消的时间。以下是完整的代码，一秒后执行取消操作：

 static void Main(string[] args)

 {
 CallWithAsync();

Console.ReadKey();

 }


async static void CallWithAsync()

{

try

 {

CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();

source.CancelAfter(TimeSpan.FromSeconds(1));

 var t1 = await GreetingAsync("Bulbul", source.Token);
 }

 catch (OperationCanceledException ex)

{

 Console.WriteLine(ex.Message);

 }

 }

static Task<string> GreetingAsync(string name, CancellationToken token)

 {

 return Task.Run<string>(() =>

 {

 return Greeting(name, token);

 });
}


 static string Greeting(string name, CancellationToken token)

 {

Thread.Sleep(3000);
 token.ThrowIfCancellationRequested();

 return string.Format("Hello, {0}", name);

 }

• 并行编程

.NET 4.5及以上版本推出“Parallel类，是线程类的抽象。使用“Parallel”类，我们可以实现并行。并行与线程不同，它使用所有可用的CPU或内核的。以下两种类型的并行是可行：

1. 数据并行：如果我们有数据的大集合，我们希望在每个数据的某些操作进行并行使用，那么就可以使用数据并行。Parallel类有静态For或ForEach来执行数据并行行，如

ParallelLoopResult result =
                    Parallel.For(0, 100, async (int i) =>
                    {
                        Console.WriteLine("{0}, task: {1}, thread: {2}", i,
                        Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
                        await Task.Delay(10);

              });

For或ForEach方法可以在多线程中和且索引无序可以是无序的。

如果想停止并行For或ForEach方法，可通过ParallelLoopState作为参数，并根据需要打破循环的状态，跳出循环。

ParallelLoopResult result =
                    Parallel.For(0, 100, async (int i, ParallelLoopState pls) =>
                    {
                        Console.WriteLine("{0}, task: {1}, thread: {2}", i,
                        Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
                        await Task.Delay(10);
                        if (i > 5) pls.Break();
              });

     2. 任务并行：如果想要同时运行多个任务的，我们可以通过调用Parallel类的invoke方法使用任务并行Parallel.Invoke方法接收委托行为的数组。例如：

static void ParallelInvoke()

{

Parallel.Invoke(MethodOne, MethodTwo);

}

• 结论

本文详细介绍了.NET Framework 4.5提供的异步编程技术及细节。

原文链接：http://www.codeproject.com/Articles/996857/Asynchronous-programming-and-Threading-in-Csharp-N