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《CLR Via C# 第3版》笔记之（十九）任务（Task）

除了上篇中提到的线程池，本篇介绍一种新的实现异步操作的方法--任务(Task)。

主要内容：

任务的介绍
任务的基本应用
子任务和任务工厂
任务调度器
并行任务Parallel

1. 任务的介绍

利用ThreadPool的QueueUserWorkItem方法建立的异步操作存在一些限制：

异步操作没有返回值
没有内建的机制来通知异步操作什么时候完成

而使用任务(Task)来建立异步操作可以克服上述限制，同时还解决了其他一些问题。

任务(Task)对象和线程池相比，多了很多状态字段和方法，便于更好的控制任务(Task)的运行。

当然，任务(Task)提供大量的功能也是有代价的，意味着更多的内存消耗。所以在实际使用中，如果不用任务(Task)的附加功能，那么就使用ThreadPool的QueueUserWorkItem方法。

通过任务的状态（TaskStatus），可以了解任务(Task)的生命周期。

TaskStatus是一个枚举类型，定义如下：

public enum TaskStatus
{   
    // 运行前状态
	Created = 0,                      // 任务被显式创建,通过Start()开始这个任务
	WaitingForActivation = 1,         // 任务被隐式创建,会自动开始
	WaitingToRun = 2,                 // 任务已经被调度,但是还没有运行

    // 运行中状态
	Running = 3,                      // 任务正在运行
	WaitingForChildrenToComplete = 4, // 等待子任务完成

    // 运行完成后状态
	RanToCompletion = 5,              // 任务正常完成
	Canceled = 6,                     // 任务被取消
	Faulted = 7,                      // 任务出错
}

构造一个Task后，它的状态为Create。

启动后，状态变为WaitingToRun。

实际在一个线程上运行时，状态变为Running。

运行完成后，根据实际情况，状态变为RanToCompletiion，Canceled，Faulted三种中的一种。

如果Task不是通过new来创建的，而是通过以下某个函数创建的，那么它的状态就是WaitingForActivation：

ContinueWith，ContinueWhenAll，ContinueWhenAny，FromAsync。

如果Task是通过构造一个TaskCompletionSource<TResult>对象来创建的，该Task在创建时也是处于WaitingForActivation状态。

2. 任务的基本应用

下面演示任务的创建，取消，等待等基本使用方法。

2.1 创建并启动一个Task

using System;
using System.Threading.Tasks;
using System.Threading;

public class CLRviaCSharp_19
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Main Thread start!");

        // 创建一个Task
        Task t1 = new Task(() => { 
            Console.WriteLine("Task start"); 
            Thread.Sleep(1000);
            Console.WriteLine("Task end");
        });

        // 启动Task
        t1.Start();

        // 主线程并没有等待Task，在Task完成前就已经完成了
        Console.WriteLine("Main Thread end!");
        Console.ReadKey(true);
    }
}

2.2 主线程等待子线程完成

using System;
using System.Threading.Tasks;
using System.Threading;

public class CLRviaCSharp_19
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Main Thread start!");

        // 创建2个Task
        Task t1 = new Task(() => { 
            Console.WriteLine("Task1 start"); 
            Thread.Sleep(1000);
            Console.WriteLine("Task1 end");
        });
        Task t2 = new Task(() =>
        {
            Console.WriteLine("Task2 start");
            Thread.Sleep(2000);
            Console.WriteLine("Task2 end");
        });

        // 启动Task
        t1.Start();
        t2.Start();

        // 当t1和t2中任何一个完成后，主线程继续后面的操作
        // Task.WaitAny(new Task[] { t1, t2 });

        // 当t1和t2中全部完成后，主线程继续后面的操作
        Task.WaitAll(new Task[] { t1, t2 });

        Console.WriteLine("Main Thread end!");
        Console.ReadKey(true);
    }
}

等待的方法WaitAll和WaitAny可根据应用场景选用一个。

2.3 取消Task

取消Task和取消一个线程类似，使用CancellationTokenSource。

using System;
using System.Threading.Tasks;
using System.Threading;

public class CLRviaCSharp_19
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Main Thread start!");
        CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();

        // 创建2个Task
        Task t1 = new Task(() => { 
            Console.WriteLine("Task1 start");
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                if (!cts.Token.IsCancellationRequested)
                {
                    Console.WriteLine("Count : " + i.ToString());
                    Thread.Sleep(1000);
                }
                else
                {
                    Console.WriteLine("Task1 is Cancelled!");
                    break;
                }
            }
            Console.WriteLine("Task1 end");
        }, cts.Token);

        // 启动Task
        t1.Start();
        Thread.Sleep(3000);
        // 运行3秒后取消Task
        cts.Cancel();

        // 为了测试取消操作，主线程等待Task完成
        Task.WaitAny(new Task[] { t1 });
        Console.WriteLine("Main Thread end!");
        Console.ReadKey(true);
    }
}

3. 子任务和任务工厂

3.1 延续任务

为了保证程序的伸缩性，应该尽量避免线程阻塞，这就意味着我们在等待一个任务完成时，最好不要用Wait，而是让一个任务结束后自动启动它的下一个任务。

using System;
using System.Threading.Tasks;
using System.Threading;

public class CLRviaCSharp_19
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Main Thread start!");

        // 第一个Task
        Task<int> t1 = new Task<int>(() =>
        {
            Console.WriteLine("Task 1 start!");
            Thread.Sleep(2000);
            Console.WriteLine("Task 1 end!");
            return 1;
        });

        // 启动第一个Task
        t1.Start();
        // 因为TaskContinuationOptions.OnlyOnRanToCompletion，
        // 所以第一个Task正常结束时,启动第二个Task。
        // TaskContinuationOptions.OnlyOnFaulted，则第一个Task出现异常时,启动第二个Task
        // 其他可详细参考TaskContinuationOptions定义的各个标志
        t1.ContinueWith(AnotherTask, TaskContinuationOptions.OnlyOnRanToCompletion);

        Console.WriteLine("Main Thread end!");
        Console.ReadKey(true);
    }

    // 第二个Task的处理都在AnotherTask函数中，
    // 第二个Task的引用其实就是上面ContinueWith函数的返回值。
    // 这里没有保存第二个Task的引用
    private static void AnotherTask(Task<int> task)
    {
        Console.WriteLine("Task 2 start!");
        Thread.Sleep(1000);
        Console.WriteLine("Task 1's return Value is : " + task.Result);
        Console.WriteLine("Task 2 end!");
    }
}

3.2 子任务

定义子任务时，注意一定要加上TaskCreationOptions.AttachedToParent，这样父任务会等待子任务执行完后才结束。

using System;
using System.Threading.Tasks;
using System.Threading;

public class CLRviaCSharp_19
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Main Thread start!");

        Task<int[]> parentTask = new Task<int[]>(() =>
        {
            var result = new int[3];

            // 子任务1
            new Task(() => { 
                Console.WriteLine("sub task 1 start!"); 
                Thread.Sleep(1000);
                Console.WriteLine("sub task 1 end!");
                result[0] = 1;
            }, TaskCreationOptions.AttachedToParent).Start();

            // 子任务2
            new Task(() =>
            {
                Console.WriteLine("sub task 2 start!");
                Thread.Sleep(1000);
                Console.WriteLine("sub task 2 end!");
                result[1] = 2;
            }, TaskCreationOptions.AttachedToParent).Start();

            // 子任务3
            new Task(() =>
            {
                Console.WriteLine("sub task 3 start!");
                Thread.Sleep(1000);
                Console.WriteLine("sub task 3 end!");
                result[2] = 3;
            }, TaskCreationOptions.AttachedToParent).Start();

            return result;
        });

        parentTask.Start();

        Console.WriteLine("Parent Task's Result is :");
        foreach (int result in parentTask.Result)
            Console.Write("{0}\t", result);

        Console.WriteLine();
        Console.WriteLine("Main Thread end!");
        Console.ReadKey(true);
    }
}

上面的例子中，可以把TaskCreationOptions.AttachedToParent删掉试试，打印出来的Result应该是3个0，而不是1 2 3。

3个子任务的执行顺序也和定义的顺序无关，比如任务3可能最先执行（与CPU的调度有关）。

3.3 任务工厂

除了上面的方法，还可以使用任务工厂来批量创建任务。

using System;
using System.Threading.Tasks;
using System.Threading;

public class CLRviaCSharp_19
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Main Thread start!");

        Task<int[]> parentTask = new Task<int[]>(() =>
        {
            var result = new int[3];
            TaskFactory tf = new TaskFactory(TaskCreationOptions.AttachedToParent, TaskContinuationOptions.None);

            // 子任务1
            tf.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("sub task 1 start!");
                Thread.Sleep(1000);
                Console.WriteLine("sub task 1 end!");
                result[0] = 1;
            });

            // 子任务2
            tf.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("sub task 2 start!");
                Thread.Sleep(1000);
                Console.WriteLine("sub task 2 end!");
                result[1] = 2;
            });

            // 子任务3
            tf.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("sub task 3 start!");
                Thread.Sleep(1000);
                Console.WriteLine("sub task 3 end!");
                result[2] = 3;
            });

            return result;
        });

        parentTask.Start();

        Console.WriteLine("Parent Task's Result is :");
        foreach (int result in parentTask.Result)
            Console.Write("{0}\t", result);

        Console.WriteLine();
        Console.WriteLine("Main Thread end!");
        Console.ReadKey(true);
    }
}

使用任务工厂与上面3.2中直接定义子任务相比，优势主要在于可以共享子任务的设置，比如在TaskFactory中设置了TaskCreationOptions.AttachedToParent，那么它启动的子任务都具有这个属性了。

当然，任务工厂(TaskFactory)还提供了很多控制子任务的函数，用的时候可以看看它的类定义。

4. 任务调度器

上面例子中任务的各种操作(运行，等待，取消等等)，都是由CLR的任务调度器来调度的。

FCL公开了2种任务调度器：线程池任务调度器和同步上下文任务调度器。

默认情况下，应用程序都是使用的线程池任务调度器。WPF和Winform中通常使用同步上下文任务调度器。

CLR的任务调度器类(TaskScheduler)中有个Default属性返回的就是线程池任务调度器。

还有个FromCurrentSynchronizationContext方法，返回的是同步上下文任务调度器。

我们也可以通过继承CLR中的任务调度器(TaskScheduler)来定制适合自己业务需要的任务调度器。

下面我们定制一个简单的TaskScheduler，将3.3中每个子任务的打印信息的功能移到自定义的任务调度器MyTaskScheduler中。

using System;
using System.Threading.Tasks;
using System.Threading;
using System.Collections.Generic;

public class CLRviaCSharp_19
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Main Thread start!");

        Task<int[]> parentTask = new Task<int[]>(() =>
        {
            var result = new int[3];
            // 这里的TaskFactory中指定的是自定义的任务调度器MyTaskScheduler
            TaskFactory tf = new TaskFactory(CancellationToken.None, TaskCreationOptions.AttachedToParent,
                TaskContinuationOptions.None, new MyTaskScheduler());

            // 子任务1
            tf.StartNew(() =>
            {
                Thread.Sleep(1000);
                result[0] = 1;
            });

            // 子任务2
            tf.StartNew(() =>
            {
                Thread.Sleep(1000);
                result[1] = 2;
            });

            // 子任务3
            tf.StartNew(() =>
            {
                Thread.Sleep(1000);
                result[2] = 3;
            });

            return result;
        });

        parentTask.Start();

        Console.WriteLine("Parent Task's Result is :");
        foreach (int result in parentTask.Result)
            Console.Write("{0}\t", result);

        Console.WriteLine();
        Console.WriteLine("Main Thread end!");
        Console.ReadKey(true);
    }
}

// 自定义的TaskScheduler，没什么实际的作用，只是为了实验自定义TaskScheduler
public class MyTaskScheduler : TaskScheduler
{
    private IList<Task> _lstTasks;

    public MyTaskScheduler()
    {
        _lstTasks = new List<Task>();
    }

    #region inherit from TaskScheduler
    protected override System.Collections.Generic.IEnumerable<Task> GetScheduledTasks()
    {
        return _lstTasks;
    }

    protected override void QueueTask(Task task)
    {
        _lstTasks.Add(task);
        // 将原先的打印信息，移到此处统一处理
        Console.WriteLine("task " + task.Id + " is start!");
        TryExecuteTask(task);
        Console.WriteLine("task " + task.Id + " is end!");
    }
    
    protected override bool TryExecuteTaskInline(Task task, bool taskWasPreviouslyQueued)
    {
        return TryExecuteTask(task);
    }
    #endregion
}

5. 并行任务Parallel

Parallel是为了简化任务编程而新增的静态类，利用Parallel可以将平时的循环操作都并行起来。

下例演示了for并行循环，foreach并行循环与之类似。

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

public class CLRviaCSharp_19
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Main Thread start!");
        int max = 10;
        
        // 普通循环
        long start = Stopwatch.GetTimestamp();
        for (int i = 0; i < max; i++)
        {
            Thread.Sleep(1000);
        }
        Console.WriteLine("{0:N0}", Stopwatch.GetTimestamp() - start);

        // 并行的循环
        start = Stopwatch.GetTimestamp();
        Parallel.For(0, max, i => { Thread.Sleep(1000); });
        Console.WriteLine("{0:N0}", Stopwatch.GetTimestamp() - start);

        Console.WriteLine("Main Thread end!");
        Console.ReadKey(true);
    }
}

在上面的例子中，采用并行循环消耗的时间不到原先的一半。

但是，采用并行循环需要满足一个条件，就是for循环中的内容能够并行才行。

比如for循环中是个对循环变量i 进行的累加操作(例如sum += i;)，那就不能使用并行循环。

还有一点需要注意，Parallel的方法本身有开销。

所以如果for循环内的处理比较简单的话，那么直接用for循环可能更快一些。

比如将上例中的Thread.Sleep(1000);删掉，再运行程序发现，直接for循环要快很多。

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《CLR Via C# 第3版》笔记之（十九） 任务（Task）