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：
1: static void Main(string[] args)
2:
3: {
4:
5: DoTaskOne();
6:
7: DoTaskTwo();
8:
9: }
“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：
1: static void Main(string[] args)
2:
3: {
4:
5: Thread thread = new Thread(DoTask);
6:
7: thread.Start();// Start DoTask method in a new thread
8:
9: //Do other tasks in main thread
10:
11: }
12:
13: static public void DoTask() {
14:
15: //do something in a new thread
16:
17: }
可以用Lamda表达式代替线程名称：
1: static void Main(string[] args)
2:
3: {
4:
5: Thread thread = new Thread(() => {
6:
7: //do something in a new thread
8:
9: });
10:
11: thread.Start();// Start a new thread
12:
13: //Do other tasks in main thread
14:
15: }
如果不需要引用变量，可如下直接启动线程：
1: static void Main(string[] args)
2:
3: {
4:
5: new Thread(() => {
6:
7: //do something in a new thread
8:
9: }).Start();// Start a new thread
10:
11: //Do other tasks in main thread
12:
13: }
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：
1: static void Main(string[] args)
2:
3: {
4:
5: Thread thread = new Thread(DoTask);
6:
7: thread.Name = "My new thread";// Asigning name to the thread
8:
9: thread.IsBackground = false;// Made the thread forground
10:
11: thread.Priority = ThreadPriority.AboveNormal;// Setting thread priority
12:
13: thread.Start();// Start DoTask method in a new thread
14:
15: //Do other task in main thread
16:
17: }
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。
1: static void Main(string[] args)
2:
3: {
4:
5: Thread thread = new Thread(DoTaskWithParm);
6:
7: thread.Start("Passing string");// Start DoTaskWithParm method in a new thread
8:
9: //Do other task in main thread
10:
11: }
12:
13: static public void DoTaskWithParm(object data)
14:
15: {
16:
17: //we need to cast the data to appropriate object
18:
19: }
“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：
1: private async static void CallerWithAsync()// async modifier is used
2:
3: {
4:
5: string result = await GetSomethingAsync();// await is used before a method call. It suspends
6: //execution of CallerWithAsync() method and control returs to the calling thread that can
//perform other task.
7:
8: Console.WriteLine(result);
9: // this line would not be executed before GetSomethingAsync() //method completes
10:
11: }
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：
1: static string Greeting(string name)
2:
3: {
4:
5: Thread.Sleep(3000);
6:
7: return string.Format("Hello, {0}", name);
8:
9: }
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。
1: static Task<string> GreetingAsync(string name)
2:
3: {
4:
5: return Task.Run<string>(() =>
6:
7: {
8:
9: return Greeting(name);
10:
11: });
12:
13: }
3.现在，可通过使用的await关键字调用异步方法GreetingAsync
1: private async static void CallWithAsync()
2:
3: {
4:
5: //some other tasks
6:
7: string result = await GreetingAsync("Bulbul");
8:
9: //We can add multiple “await” in same “async” method
10:
11: //string result1 = await GreetingAsync(“Ahmed”);
12:
13: //string result2 = await GreetingAsync(“Every Body”);
14:
15: Console.WriteLine(result);
16:
17: }
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。
1: private static void CallWithContinuationTask()
2:
3: {
4:
5: Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");
6:
7: t1.ContinueWith(t =>
8:
9: {
10:
11: string result = t.Result;
12:
13: Console.WriteLine(result);
14:
15: });
16:
17: }
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：
1: private async static void CallWithAsync()
2:
3: {
4:
5: string result = await GreetingAsync("Bulbul");
6:
7: string result1 = await GreetingAsync(“Ahmed”);
8:
9: Console.WriteLine(result);
10:
11: Console.WriteLine(result1);
12:
13: }
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。
1: private async static void MultipleAsyncMethodsWithCombinators()
2:
3: {
4:
5: Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");
6:
7: Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed");
8:
9: await Task.WhenAll(t1, t2);
10:
11: Console.WriteLine("Finished both methods.
" +
12:
13: "Result 1: {0}
Result 2: {1}", t1.Result, t2.Result);
14:
15: }
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。
1: private async static void CallWithAsync()
2:
3: {
4:
5: try
6:
7: {
8:
9: string result = await GreetingAsync("Bulbul");
10:
11: }
12:
13: catch (Exception ex)
14:
15: {
16:
17: Console.WriteLine(“handled {0}”, ex.Message);
18:
19: }
20:
21: }
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。
1: private async static void CallWithAsync()
2:
3: {
4:
5: try
6:
7: {
8:
9: Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");
10:
11: Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed");
12:
13: await Task.WhenAll(t1, t2);
14:
15: }
16:
17: catch (Exception ex)
18:
19: {
20:
21: Console.WriteLine(“handled {0}”, ex.Message);
22:
23: }
24:
25: }
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：
1: static async void ShowAggregatedException()
2:
3: {
4:
5: Task taskResult = null;
6:
7: try
8:
9: {
10: Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");
11:
12: Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed");
13:
14: await (taskResult = Task.WhenAll(t1, t2));
15:
16: }
17:
18: catch (Exception ex)
19:
20: {
21:
22: Console.WriteLine("handled {0}", ex.Message);
23:
24: foreach (var innerEx in taskResult.Exception.InnerExceptions)
25:
26: {
27: Console.WriteLine("inner exception {0}", nnerEx.Message); }
28: }
29:
30: }
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：
1: 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。
1: static string Greeting(string name, CancellationToken token){
2:
3: Thread.Sleep(3000);
4:
5: token. ThrowIfCancellationRequested();
6:
7: return string.Format("Hello, {0}", name);
8:
9: }
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：
1: static void Main(string[] args)
2:
3: {
4: CallWithAsync();
5:
6: Console.ReadKey();
7:
8: }
9:
10:
11: async static void CallWithAsync()
12:
13: {
14:
15: try
16:
17: {
18:
19: CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();
20:
21: source.CancelAfter(TimeSpan.FromSeconds(1));
22:
23: var t1 = await GreetingAsync("Bulbul", source.Token);
24: }
25:
26: catch (OperationCanceledException ex)
27:
28: {
29:
30: Console.WriteLine(ex.Message);
31:
32: }
33:
34: }
35:
36: static Task<string> GreetingAsync(string name, CancellationToken token)
37:
38: {
39:
40: return Task.Run<string>(() =>
41:
42: {
43:
44: return Greeting(name, token);
45:
46: });
47: }
48:
49:
50: static string Greeting(string name, CancellationToken token)
51:
52: {
53:
54: Thread.Sleep(3000);
55: token.ThrowIfCancellationRequested();
56:
57: return string.Format("Hello, {0}", name);
58:
59: }
60:
-
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：
- 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
1: ParallelLoopResult result =
2: Parallel.For(0, 100, async (int i) =>
3: {
4: Console.WriteLine("{0}, task: {1}, thread: {2}", i,
5: Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
6: await Task.Delay(10);
7:
8: });
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。
1: ParallelLoopResult result =
2: Parallel.For(0, 100, async (int i, ParallelLoopState pls) =>
3: {
4: Console.WriteLine("{0}, task: {1}, thread: {2}", i,
5: Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
6: await Task.Delay(10);
7: if (i > 5) pls.Break();
8: });
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：
1: static void ParallelInvoke()
2:
3: {
4:
5: Parallel.Invoke(MethodOne, MethodTwo);
6:
7: }
8:
-
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
