C#多線程和異步之Task和async/await詳解
一、什么是異步
同步和異步主要用于修飾方法。當一個方法被調用時，調用者需要等待該方法執行完畢并返回才能繼續執行，我們稱這個方法是同步方法;當一個方法被調用時立即返回，并獲取一個線程執行該方法內部的業務，調用者不用等待該方法執行完畢，我們稱這個方法為異步方法。
異步的好處在于非阻塞(調用線程不會暫停執行去等待子線程完成)，因此我們把一些不需要立即使用結果、較耗時的任務設為異步執行，可以提高程序的運行效率。net4.0在ThreadPool的基礎上推出了Task類，微軟極力推薦使用Task來執行異步任務，現在C#類庫中的異步方法基本都用到了Task;net5.0推出了async/await，讓異步編程更為方便。本篇主要介紹Task、async/await相關的內容，其他異步操作的方式會在下一篇介紹。
二、Task介紹
Task是在ThreadPool的基礎上推出的，我們簡單了解下ThreadPool。ThreadPool中有若干數量的線程，如果有任務需要處理時，會從線程池中獲取一個空閑的線程來執行任務，任務執行完畢后線程不會銷毀，而是被線程池回收以供后續任務使用。當線程池中所有的線程都在忙碌時，又有新任務要處理時，線程池才會新建一個線程來處理該任務，如果線程數量達到設置的最大值，任務會排隊，等待其他任務釋放線程后再執行。線程池能減少線程的創建，節省開銷，看一個ThreadPool的栗子吧
- static void Main(string[] args)
- {
- for (int i = 1; i <=10; i++)
- {
- //ThreadPool執行任務
- ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback((obj) => {
- Console.WriteLine($"第{obj}個執行任務");
- }),i);
- }
- Console.ReadKey();
- }
上邊的代碼通過ThreadPool執行了10個任務，執行結果為：
ThreadPool相對于Thread來說可以減少線程的創建，有效減小系統開銷;但是ThreadPool不能控制線程的執行順序，我們也不能獲取線程池內線程取消/異常/完成的通知，即我們不能有效監控和控制線程池中的線程。
1 Task創建和運行
我們知道了ThreadPool的弊端：我們不能控制線程池中線程的執行順序，也不能獲取線程池內線程取消/異常/完成的通知。net4.0在ThreadPool的基礎上推出了Task，Task擁有線程池的優點，同時也解決了使用線程池不易控制的弊端。
首先看一下怎么去創建并運行一個Task，Task的創建和執行方式有如下三種：
- static void Main(string[] args)
- {
- //1.new方式實例化一個Task，需要通過Start方法啟動
- Task task = new Task(() =>
- {
- Thread.Sleep(100);
- Console.WriteLine($"hello, task1的線程ID為{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
- });
- task.Start();
- //2.Task.Factory.StartNew(Action action)創建和啟動一個Task
- Task task2 = Task.Factory.StartNew(() =>
- {
- Thread.Sleep(100);
- Console.WriteLine($"hello, task2的線程ID為{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
- });
- //3.Task.Run(Action action)將任務放在線程池隊列，返回并啟動一個Task
- Task task3 = Task.Run(() =>
- {
- Thread.Sleep(100);
- Console.WriteLine($"hello, task3的線程ID為{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
- });
- Console.WriteLine("執行主線程！");
- Console.ReadKey();
- }
執行結果如下：
我們看到先打印"執行主線程"，然后再打印各個任務，說明了Task不會阻塞主線程。上邊的栗子Task都沒有返回值，我們也可以創建有返回值的Task
- static void Main(string[] args)
- {
- ////1.new方式實例化一個Task，需要通過Start方法啟動
- Task<string> task = new Task<string>(() =>
- {
- return $"hello, task1的ID為{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}";
- });
- task.Start();
- ////2.Task.Factory.StartNew(Func func)創建和啟動一個Task
- Task<string> task2 =Task.Factory.StartNew<string>(() =>
- {
- return $"hello, task2的ID為{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}";
- });
- ////3.Task.Run(Func func)將任務放在線程池隊列，返回并啟動一個Task
- Task<string> task3= Task.Run<string>(() =>
- {
- return $"hello, task3的ID為{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}";
- });
- Console.WriteLine("執行主線程！");
- Console.WriteLine(task.Result);
- Console.WriteLine(task2.Result);
- Console.WriteLine(task3.Result);
- Console.ReadKey();
- }
注意task.Resut獲取結果時會阻塞線程，即如果task沒有執行完成，會等待task執行完成獲取到Result，然后再執行后邊的代碼，程序運行結果如下：
上邊的所有栗子中Task的執行都是異步的，不會阻塞主線程。有些場景下我們想讓Task同步執行怎么辦呢?Task提供了 task.RunSynchronously()用于同步執行Task任務，代碼如下：
- static void Main(string[] args)
- {
- Task task = new Task(() =>
- {
- Thread.Sleep(100);
- Console.WriteLine("執行Task結束!");
- });
- //同步執行，task會阻塞主線程
- task.RunSynchronously();
- Console.WriteLine("執行主線程結束！");
- Console.ReadKey();
- }
執行結果如下：
2 Task的阻塞方法(Wait/WaitAll/WaitAny)
1 Thread阻塞線程的方法
使用Thread時，我們知道用thread.Join()方法即可阻塞主線程。看一個例子：
- static void Main(string[] args)
- {
- Thread th1 = new Thread(() => {
- Thread.Sleep(500);
- Console.WriteLine("線程1執行完畢！");
- });
- th1.Start();
- Thread th2 = new Thread(() => {
- Thread.Sleep(1000);
- Console.WriteLine("線程2執行完畢！");
- });
- th2.Start();
- //阻塞主線程
- th1.Join();
- th2.Join();
- Console.WriteLine("主線程執行完畢！");
- Console.ReadKey();
- }
如果注釋掉兩個Join，執行結果是：先打印【主線程執行完畢】，而添加兩個Join方法后執行結果如下，實現了線程阻塞：
2 Task的Wait/WaitAny/WaitAll方法
Thread的Join方法可以阻塞調用線程，但是有一些弊端：①如果我們要實現很多線程的阻塞時，每個線程都要調用一次Join方法;②如果我們想讓所有的線程執行完畢(或者任一線程執行完畢)時，立即解除阻塞，使用Join方法不容易實現。Task提供了 Wait/WaitAny/WaitAll 方法，可以更方便地控制線程阻塞。
task.Wait() 表示等待task執行完畢，功能類似于thead.Join(); Task.WaitAll(Task[] tasks) 表示只有所有的task都執行完成了再解除阻塞; Task.WaitAny(Task[] tasks) 表示只要有一個task執行完畢就解除阻塞，看一個栗子：
- static void Main(string[] args)
- {
- Task task1 = new Task(() => {
- Thread.Sleep(500);
- Console.WriteLine("線程1執行完畢！");
- });
- task1.Start();
- Task task2 = new Task(() => {
- Thread.Sleep(1000);
- Console.WriteLine("線程2執行完畢！");
- });
- task2.Start();
- //阻塞主線程。task1,task2都執行完畢再執行主線程
- //執行【task1.Wait();task2.Wait();】可以實現相同功能
- Task.WaitAll(new Task[]{ task1,task2});
- Console.WriteLine("主線程執行完畢！");
- Console.ReadKey();
- }
執行結果如下：
如果將栗子中的WaitAll換成WaitAny，那么任一task執行完畢就會解除線程阻塞，執行結果是：先打印【線程1執行完畢】，然后打印【主線程執行完畢】，最后打印【線程2執行完畢】
3 Task的延續操作(WhenAny/WhenAll/ContinueWith)
上邊的Wait/WaitAny/WaitAll方法返回值為void，這些方法單純的實現阻塞線程。我們現在想讓所有task執行完畢(或者任一task執行完畢)后，開始執行后續操作，怎么實現呢?這時就可以用到WhenAny/WhenAll方法了，這些方法執行完成返回一個task實例。 task.WhenAll(Task[] tasks) 表示所有的task都執行完畢后再去執行后續的操作， task.WhenAny(Task[] tasks) 表示任一task執行完畢后就開始執行后續操作。看一個栗子：
- static void Main(string[] args)
- {
- Task task1 = new Task(() => {
- Thread.Sleep(500);
- Console.WriteLine("線程1執行完畢！");
- });
- task1.Start();
- Task task2 = new Task(() => {
- Thread.Sleep(1000);
- Console.WriteLine("線程2執行完畢！");
- });
- task2.Start();
- //task1，task2執行完了后執行后續操作
- Task.WhenAll(task1, task2).ContinueWith((t) => {
- Thread.Sleep(100);
- Console.WriteLine("執行后續操作完畢！");
- });
- Console.WriteLine("主線程執行完畢！");
- Console.ReadKey();
- }
執行結果如下，我們看到WhenAll/WhenAny方法不會阻塞主線程，當使用WhenAll方法時所有的task都執行完畢才會執行后續操作;如果把栗子中的WhenAll替換成WhenAny，則只要有一個線程執行完畢就會開始執行后續操作，這里不再演示。
上邊的栗子也可以通過 Task.Factory.ContinueWhenAll(Task[] tasks, Action continuationAction) 和 Task.Factory.ContinueWhenAny(Task[] tasks, Action continuationAction) 來實現 ，修改上邊栗子代碼如下，執行結果不變。
- static void Main(string[] args)
- {
- Task task1 = new Task(() => {
- Thread.Sleep(500);
- Console.WriteLine("線程1執行完畢！");
- });
- task1.Start();
- Task task2 = new Task(() => {
- Thread.Sleep(1000);
- Console.WriteLine("線程2執行完畢！");
- });
- task2.Start();
- //通過TaskFactroy實現
- Task.Factory.ContinueWhenAll(new Task[] { task1, task2 }, (t) =>
- {
- Thread.Sleep(100);
- Console.WriteLine("執行后續操作");
- });
- Console.WriteLine("主線程執行完畢！");
- Console.ReadKey();
- }
4 Task的任務取消(CancellationTokenSource)
1 Thread取消任務執行
在Task前我們執行任務采用的是Thread,Thread怎么取消任務呢?一般流程是：設置一個變量來控制任務是否停止，如設置一個變量isStop，然后線程輪詢查看isStop，如果isStop為true就停止，代碼如下：
- static void Main(string[] args)
- {
- bool isStop = false;
- int index = 0;
- //開啟一個線程執行任務
- Thread th1 = new Thread(() =>
- {
- while (!isStop)
- {
- Thread.Sleep(1000);
- Console.WriteLine($"第{++index}次執行，線程運行中...");
- }
- });
- th1.Start();
- //五秒后取消任務執行
- Thread.Sleep(5000);
- isStop = true;
- Console.ReadKey();
- }
2 Task取消任務執行
Task中有一個專門的類 CancellationTokenSource 來取消任務執行，還是使用上邊的例子，我們修改代碼如下，程序運行的效果不變。
- static void Main(string[] args)
- {
- CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();
- int index = 0;
- //開啟一個task執行任務
- Task task1 = new Task(() =>
- {
- while (!source.IsCancellationRequested)
- {
- Thread.Sleep(1000);
- Console.WriteLine($"第{++index}次執行，線程運行中...");
- }
- });
- task1.Start();
- //五秒后取消任務執行
- Thread.Sleep(5000);
- //source.Cancel()方法請求取消任務，IsCancellationRequested會變成true
- source.Cancel();
- Console.ReadKey();
- }
CancellationTokenSource的功能不僅僅是取消任務執行，我們可以使用 source.CancelAfter(5000) 實現5秒后自動取消任務，也可以通過 source.Token.Register(Action action) 注冊取消任務觸發的回調函數，即任務被取消時注冊的action會被執行。看一個栗子：
- static void Main(string[] args)
- {
- CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();
- //注冊任務取消的事件
- source.Token.Register(() =>
- {
- Console.WriteLine("任務被取消后執行xx操作！");
- });
- int index = 0;
- //開啟一個task執行任務
- Task task1 = new Task(() =>
- {
- while (!source.IsCancellationRequested)
- {
- Thread.Sleep(1000);
- Console.WriteLine($"第{++index}次執行，線程運行中...");
- }
- });
- task1.Start();
- //延時取消，效果等同于Thread.Sleep(5000);source.Cancel();
- source.CancelAfter(5000);
- Console.ReadKey();
- }
執行結果如下，第5次執行在取消回調后打印，這是因為，執行取消的時候第5次任務已經通過了while()判斷，任務已經執行中了：
最后看上一篇跨線程的栗子，點擊按鈕啟動一個任務，給tetxtbox賦值，我們把Thread改成Task，代碼如下：
- public partial class Form1 : Form
- {
- public Form1()
- {
- InitializeComponent();
- }
- private void mySetValueBtn_Click(object sender, EventArgs e)
- {
- Task.Run(() =>
- {
- Action<int> setValue = (i) => { myTxtbox.Text = i.ToString(); };
- for (int i = 0; i < 1000000; i++)
- {
- myTxtbox.Invoke(setValue,i);
- }
- });
- }
- }
運行界面如下，賦值的task不會阻塞UI線程：
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三、異步方法(async/await)
在C#5.0中出現的 async和await ，讓異步編程變得更簡單。我們看一個獲取文件內容的栗子：
- class Program
- {
- static void Main(string[] args)
- {
- string content = GetContentAsync(Environment.CurrentDirectory + @"/test.txt").Result;
- //調用同步方法
- //string content = GetContent(Environment.CurrentDirectory + @"/test.txt");
- Console.WriteLine(content);
- Console.ReadKey();
- }
- //異步讀取文件內容
- async static Task<string> GetContentAsync(string filename)
- {
- FileStream fs = new FileStream(filename, FileMode.Open);
- var bytes = new byte[fs.Length];
- //ReadAync方法異步讀取內容，不阻塞線程
- Console.WriteLine("開始讀取文件");
- int len = await fs.ReadAsync(bytes, 0, bytes.Length);
- string result = Encoding.UTF8.GetString(bytes);
- return result;
- }
- //同步讀取文件內容
- static string GetContent(string filename)
- {
- FileStream fs = new FileStream(filename, FileMode.Open);
- var bytes = new byte[fs.Length];
- //Read方法同步讀取內容，阻塞線程
- int len = fs.Read(bytes, 0, bytes.Length);
- string result = Encoding.UTF8.GetString(bytes);
- return result;
- }
- }
test.txt內容是【hello world!】執行結果為：
上邊的栗子也寫出了同步讀取的方式，將main函數中的注釋去掉即可同步讀取文件內容。我們可以看到異步讀取代碼和同步讀取代碼基本一致。async/await讓異步編碼變得更簡單，我們可以像寫同步代碼一樣去寫異步代碼。注意一個小問題：異步方法中方法簽名返回值為Task
異步方法簽名的返回值有以下三種：
① Task
② Task:如果調用方法不想通過異步方法獲取一個值，僅僅想追蹤異步方法的執行狀態，那么我們可以設置異步方法簽名的返回值為Task;
③ void:如果調用方法僅僅只是調用一下異步方法，不和異步方法做其他交互，我們可以設置異步方法簽名的返回值為void，這種形式也叫做“調用并忘記”。
小結：到這里Task，async/await的簡單使用已經基本結束了，一些高級特性等到工作遇到了再去研究。通過上邊的介紹，我們知道async/await是基于Task的，而Task是對ThreadPool的封裝改進，主要是為了更有效的控制線程池中的線程(ThreadPool中的線程，我們很難通過代碼控制其執行順序，任務延續和取消等等);ThreadPool基于Thread的，主要目的是減少Thread創建數量和管理Thread的成本。async/await Task是C#中更先進的，也是微軟大力推廣的特性，我們在開發中可以嘗試使用Task來替代Thread/ThreadPool，處理本地IO和網絡IO任務是盡量使用async/await來提高任務執行效率。
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