async & await 的前世今生

开发 后端
本文将会对Thread 到 Task 再到 .NET 4.5的 async和 await,这三种方式下的并行编程作一个概括性的介绍包括:开启线程,线程结果返回,线程中止,线程中的异常处理等。

async 和 await 出现在C# 5.0之后,给并行编程带来了不少的方便,特别是当在MVC中的Action也变成async之后,有点开始什么都是async的味道了。但是这也给我们编程埋下了一些隐患,有时候可能会产生一些我们自己都不知道怎么产生的Bug,特别是如果连线程基础没有理解的情况下,更不知道如何去处理了。那今天我们就来好好看看这两兄弟和他们的叔叔(Task)爷爷(Thread)们到底有什么区别和特点,本文将会对Thread 到 Task 再到 .NET 4.5的 async和 await,这三种方式下的并行编程作一个概括性的介绍包括:开启线程,线程结果返回,线程中止,线程中的异常处理等。

创建

  1. static void Main(){  
  2.     new Thread(Go).Start();  // .NET 1.0开始就有的   
  3.     Task.Factory.StartNew(Go); // .NET 4.0 引入了 TPL  
  4.     Task.Run(new Action(Go)); // .NET 4.5 新增了一个Run的方法  
  5. }  
  6.  
  7. public static void Go(){  
  8.     Console.WriteLine("我是另一个线程");  

这里面需要注意的是,创建Thread的实例之后,需要手动调用它的Start方法将其启动。但是对于Task来说,StartNew和Run的同时,既会创建新的线程,并且会立即启动它。

线程池 

线程的创建是比较占用资源的一件事情,.NET 为我们提供了线程池来帮助我们创建和管理线程。Task是默认会直接使用线程池,但是Thread不会。如果我们不使用Task,又想用线程池的话,可以使用ThreadPool类。

  1. static void Main() {  
  2.     Console.WriteLine("我是主线程:Thread Id {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);  
  3.     ThreadPool.QueueUserWorkItem(Go);  
  4.    
  5.     Console.ReadLine();  
  6. }  
  7.    
  8. public static void Go(object data) {  
  9.     Console.WriteLine("我是另一个线程:Thread Id {0}",Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);  

传入参数

  1. static void Main() {  
  2.     new Thread(Go).Start("arg1"); // 没有匿名委托之前,我们只能这样传入一个object的参数  
  3.    
  4.     new Thread(delegate(){  // 有了匿名委托之后...  
  5.         GoGoGo("arg1""arg2""arg3");  
  6.     });  
  7.    
  8.     new Thread(() => {  // 当然,还有 Lambada  
  9.         GoGoGo("arg1","arg2","arg3");  
  10.     }).Start();  
  11.    
  12.     Task.Run(() =>{  // Task能这么灵活,也是因为有了Lambda呀。  
  13.         GoGoGo("arg1""arg2""arg3");  
  14.     });  
  15. }  
  16.    
  17. public static void Go(object name){  
  18.     // TODO  
  19. }  
  20.    
  21. public static void GoGoGo(string arg1, string arg2, string arg3){  
  22.     // TODO  

返回值

Thead是不能返回值的,但是作为更高级的Task当然要弥补一下这个功能。

  1. static void Main() {  
  2.     // GetDayOfThisWeek 运行在另外一个线程中  
  3.     var dayName = Task.Run<string>(() => { return GetDayOfThisWeek(); });  
  4.     Console.WriteLine("今天是:{0}",dayName.Result);  

共享数据

上面说了参数和返回值,我们来看一下线程之间共享数据的问题。

  1. private static bool _isDone = false;      
  2. static void Main(){  
  3.     new Thread(Done).Start();  
  4.     new Thread(Done).Start();  
  5. }  
  6.    
  7. static void Done(){  
  8.     if (!_isDone) {  
  9.         _isDone = true// 第二个线程来的时候,就不会再执行了(也不是绝对的,取决于计算机的CPU数量以及当时的运行情况)  
  10.         Console.WriteLine("Done");  
  11.     }  

线程之间可以通过static变量来共享数据。

线程安全

我们先把上面的代码小小的调整一下,就知道什么是线程安全了。我们把Done方法中的两句话对换了一下位置 。

  1. private static bool _isDone = false;      
  2. static void Main(){  
  3.     new Thread(Done).Start();  
  4.     new Thread(Done).Start();  
  5.     Console.ReadLine();  
  6. }  
  7.    
  8. static void Done(){  
  9.     if (!_isDone) {  
  10.        Console.WriteLine("Done"); // 猜猜这里面会被执行几次?  
  11.         _isDone = true;   
  12.     }  

 

上面这种情况不会一直发生,但是如果你运气好的话,就会中奖了。因为***个线程还没有来得及把_isDone设置成true,第二个线程就进来了,而这不是我们想要的结果,在多个线程下,结果不是我们的预期结果,这就是线程不安全。

要解决上面遇到的问题,我们就要用到锁。锁的类型有独占锁,互斥锁,以及读写锁等,我们这里就简单演示一下独占锁。

  1. private static bool _isDone = false;  
  2. private static object _lock = new object();  
  3. static void Main(){  
  4.     new Thread(Done).Start();  
  5.     new Thread(Done).Start();  
  6.     Console.ReadLine();  
  7. }  
  8.    
  9. static void Done(){  
  10.     lock (_lock){  
  11.         if (!_isDone){  
  12.             Console.WriteLine("Done"); // 猜猜这里面会被执行几次?  
  13.             _isDone = true;  
  14.         }  
  15.     }  

再我们加上锁之后,被锁住的代码在同一个时间内只允许一个线程访问,其它的线程会被阻塞,只有等到这个锁被释放之后其它的线程才能执行被锁住的代码。

#p#

Semaphore 信号量

我实在不知道这个单词应该怎么翻译,从官方的解释来看,我们可以这样理解。它可以控制对某一段代码或者对某个资源访问的线程的数量,超过这个数量之后,其它的线程就得等待,只有等现在有线程释放了之后,下面的线程才能访问。这个跟锁有相似的功能,只不过不是独占的,它允许一定数量的线程同时访问。

  1. static SemaphoreSlim _sem = new SemaphoreSlim(3);    // 我们限制能同时访问的线程数量是3  
  2. static void Main(){  
  3.     for (int i = 1; i <= 5; i++) new Thread(Enter).Start(i);  
  4.     Console.ReadLine();  
  5. }  
  6.    
  7. static void Enter(object id){  
  8.     Console.WriteLine(id + " 开始排队...");  
  9.     _sem.Wait();  
  10.     Console.WriteLine(id + " 开始执行!");            
  11.     Thread.Sleep(1000 * (int)id);                 
  12.     Console.WriteLine(id + " 执行完毕,离开!");        
  13.     _sem.Release();  

在最开始的时候,前3个排队之后就立即进入执行,但是4和5,只有等到有线程退出之后才可以执行。

异常处理

其它线程的异常,主线程可以捕获到么?

  1. public static void Main(){  
  2.     try{  
  3.         new Thread(Go).Start();  
  4.     }  
  5.     catch (Exception ex){  
  6.         // 其它线程里面的异常,我们这里面是捕获不到的。  
  7.         Console.WriteLine("Exception!");  
  8.     }  
  9. }  
  10. static void Go() { throw null; } 

那么升级了的Task呢?

  1. public static void Main(){  
  2.     try{  
  3.         var task = Task.Run(() => { Go(); });  
  4.         task.Wait();  // 在调用了这句话之后,主线程才能捕获task里面的异常  
  5.    
  6.         // 对于有返回值的Task, 我们接收了它的返回值就不需要再调用Wait方法了  
  7.         // GetName 里面的异常我们也可以捕获到  
  8.         var task2 = Task.Run(() => { return GetName(); });  
  9.         var name = task2.Result;  
  10.     }  
  11.     catch (Exception ex){  
  12.         Console.WriteLine("Exception!");  
  13.     }  
  14. }  
  15. static void Go() { throw null; }  
  16. static string GetName() { throw null; } 

一个小例子认识async & await

  1. static void Main(string[] args){  
  2.     Test(); // 这个方法其实是多余的, 本来可以直接写下面的方法  
  3.     // await GetName()    
  4.     // 但是由于控制台的入口方法不支持async,所有我们在入口方法里面不能 用 await  
  5.                
  6.     Console.WriteLine("Current Thread Id :{0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);  
  7. }  
  8.    
  9. static async Task Test(){  
  10.     // 方法打上async关键字,就可以用await调用同样打上async的方法  
  11.     // await 后面的方法将在另外一个线程中执行  
  12.     await GetName();  
  13. }  
  14.    
  15. static async Task GetName(){  
  16.     // Delay 方法来自于.net 4.5  
  17.     await Task.Delay(1000);  // 返回值前面加 async 之后,方法里面就可以用await了  
  18.     Console.WriteLine("Current Thread Id :{0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);  
  19.     Console.WriteLine("In antoher thread.....");  

#p#

await 的原形

await后的的执行顺序 

 

感谢 locus的指正, await 之后不会开启新的线程(await 从来不会开启新的线程),所以上面的图是有一点问题的。

await 不会开启新的线程,当前线程会一直往下走直到遇到真正的Async方法(比如说HttpClient.GetStringAsync),这个方法的内部会用Task.Run或者Task.Factory.StartNew 去开启线程。也就是如果方法不是.NET为我们提供的Async方法,我们需要自己创建Task,才会真正的去创建线程

  1. static void Main(string[] args)  
  2. {  
  3.     Console.WriteLine("Main Thread Id: {0}\r\n", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);  
  4.     Test();  
  5.     Console.ReadLine();  
  6. }  
  7.    
  8. static async Task Test()  
  9. {  
  10.     Console.WriteLine("Before calling GetName, Thread Id: {0}\r\n", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);  
  11.     var name = GetName();   //我们这里没有用 await,所以下面的代码可以继续执行  
  12.     // 但是如果上面是 await GetName(),下面的代码就不会立即执行,输出结果就不一样了。  
  13.     Console.WriteLine("End calling GetName.\r\n");  
  14.     Console.WriteLine("Get result from GetName: {0}", await name);  
  15. }  
  16.    
  17. static async Task<string> GetName()  
  18. {  
  19.     // 这里还是主线程  
  20.     Console.WriteLine("Before calling Task.Run, current thread Id is: {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);  
  21.     return await Task.Run(() =>  
  22.     {  
  23.         Thread.Sleep(1000);  
  24.         Console.WriteLine("'GetName' Thread Id: {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);  
  25.         return "Jesse";  
  26.     });  

我们再来看一下那张图:

  

  1. 进入主线程开始执行
  2. 调用async方法,返回一个Task,注意这个时候另外一个线程已经开始运行,也就是GetName里面的 Task 已经开始工作了
  3. 主线程继续往下走
  4. 第3步和第4步是同时进行的,主线程并没有挂起等待
  5. 如果另一个线程已经执行完毕,name.IsCompleted=true,主线程仍然不用挂起,直接拿结果就可以了。如果另一个线程还同有执行完毕, name.IsCompleted=false,那么主线程会挂起等待,直到返回结果为止。

只有async方法在调用前才能加await么?

  1. static void Main(){  
  2.     Test();  
  3.     Console.ReadLine();  
  4. }  
  5.    
  6. static async void Test(){  
  7.     Task<string> task = Task.Run(() =>{  
  8.         Thread.Sleep(5000);  
  9.         return "Hello World";  
  10.     });  
  11.     string str = await task;  //5 秒之后才会执行这里  
  12.     Console.WriteLine(str);  

答案很明显:await并不是针对于async的方法,而是针对async方法所返回给我们的Task,这也是为什么所有的async方法都必须返回给我们Task。所以我们同样可以在Task前面也加上await关键字,这样做实际上是告诉编译器我需要等这个Task的返回值或者等这个Task执行完毕之后才能继续往下走。

不用await关键字,如何确认Task执行完毕了?

  1. static void Main(){  
  2.     var task = Task.Run(() =>{  
  3.         return GetName();  
  4.     });  
  5.    
  6.     task.GetAwaiter().OnCompleted(() =>{  
  7.         // 2 秒之后才会执行这里  
  8.         var name = task.Result;  
  9.         Console.WriteLine("My name is: " + name);  
  10.     });  
  11.    
  12.     Console.WriteLine("主线程执行完毕");  
  13.     Console.ReadLine();  
  14. }  
  15.    
  16. static string GetName(){  
  17.     Console.WriteLine("另外一个线程在获取名称");  
  18.     Thread.Sleep(2000);  
  19.     return "Jesse";  

#p#

Task.GetAwaiter()和await Task 的区别?

 

  • 加上await关键字之后,后面的代码会被挂起等待,直到task执行完毕有返回值的时候才会继续向下执行,这一段时间主线程会处于挂起状态。
  • GetAwaiter方法会返回一个awaitable的对象(继承了INotifyCompletion.OnCompleted方法)我们只是传递了一个委托进去,等task完成了就会执行这个委托,但是并不会影响主线程,下面的代码会立即执行。这也是为什么我们结果里面***句话会是 “主线程执行完毕”!

Task如何让主线程挂起等待?

上面的右边是属于没有挂起主线程的情况,和我们的await仍然有一点差别,那么在获取Task的结果前如何挂起主线程呢?

  1. static void Main(){  
  2.     var task = Task.Run(() =>{  
  3.         return GetName();  
  4.     });  
  5.    
  6.     var name = task.GetAwaiter().GetResult();  
  7.     Console.WriteLine("My name is:{0}",name);  
  8.    
  9.     Console.WriteLine("主线程执行完毕");  
  10.     Console.ReadLine();  
  11. }  
  12.    
  13. static string GetName(){  
  14.     Console.WriteLine("另外一个线程在获取名称");  
  15.     Thread.Sleep(2000);  
  16.     return "Jesse";  

  

Task.GetAwait()方法会给我们返回一个awaitable的对象,通过调用这个对象的GetResult方法就会挂起主线程,当然也不是所有的情况都会挂起。还记得我们Task的特性么? 在一开始的时候就启动了另一个线程去执行这个Task,当我们调用它的结果的时候如果这个Task已经执行完毕,主线程是不用等待可以直接拿其结果的,如果没有执行完毕那主线程就得挂起等待了。

await 实质是在调用awaitable对象的GetResult方法

  1. static async Task Test(){  
  2.     Task<string> task = Task.Run(() =>{  
  3.         Console.WriteLine("另一个线程在运行!");  // 这句话只会被执行一次  
  4.         Thread.Sleep(2000);  
  5.         return "Hello World";  
  6.     });  
  7.    
  8.     // 这里主线程会挂起等待,直到task执行完毕我们拿到返回结果  
  9.     var result = task.GetAwaiter().GetResult();    
  10.     // 这里不会挂起等待,因为task已经执行完了,我们可以直接拿到结果  
  11.     var result2 = await task;       
  12.     Console.WriteLine(str);  

到此为止,await就真相大白了,欢迎点评。Enjoy Coding! :) 

本文来自:http://www.cnblogs.com/jesse2013/p/async-and-await.html

责任编辑:林师授 来源: 博客园
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