C#異步的世界(上)

Posted on 2021-04-26 by WalkonNet

前言

新進階的程序員可能對async、await用得比較多，卻對之前的異步瞭解甚少。本人就是此類，因此打算回顧學習下異步的進化史。

本文主要是回顧async異步模式之前的異步，下篇文章再來重點分析async異步模式。

APM

APM 異步編程模型，Asynchronous Programming Model

早在C#1的時候就有瞭APM。雖然不是很熟悉，但是多少還是見過的。就是那些類是BeginXXX和EndXXX的方法，且BeginXXX返回值是IAsyncResult接口。

在正式寫APM示例之前我們先給出一段同步代碼：

//1、同步方法
private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{          
    Debug.WriteLine("【Debug】線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

    var request = WebRequest.Create("https://github.com/");//為瞭更好的演示效果，我們使用網速比較慢的外網
    request.GetResponse();//發送請求    

    Debug.WriteLine("【Debug】線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    label1.Text = "執行完畢！";
}

【說明】為瞭更好的演示異步效果，這裡我們使用winform程序來做示例。（因為winform始終都需要UI線程渲染界面，如果被UI線程占用則會出現“假死”狀態）

【效果圖】

看圖得知：

我們在執行方法的時候頁面出現瞭“假死”，拖不動瞭。

我們看到打印結果，方法調用前和調用後線程ID都是9（也就是同一個線程）

下面我們再來演示對應的異步方法：（BeginGetResponse、EndGetResponse所謂的APM異步模型）

private void button2_Click(object sender, EventArgs e)
{
    //1、APM 異步編程模型，Asynchronous Programming Model
    //C#1[基於IAsyncResult接口實現BeginXXX和EndXXX的方法]             
    Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

    var request = WebRequest.Create("https://github.com/");
    request.BeginGetResponse(new AsyncCallback(t =>//執行完成後的回調
    {
        var response = request.EndGetResponse(t);
        var stream = response.GetResponseStream();//獲取返回數據流 

        using (StreamReader reader = new StreamReader(stream))
        {
            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            while (!reader.EndOfStream)
            {
                var content = reader.ReadLine();
                sb.Append(content);
            }
            Debug.WriteLine("【Debug】" + sb.ToString().Trim().Substring(0, 100) + "...");//隻取返回內容的前100個字符 
            Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            label1.Invoke((Action)(() => { label1.Text = "執行完畢！"; }));//這裡跨線程訪問UI需要做處理
        }
    }), null);

    Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); 
}

【效果圖】

看圖得知：

啟用異步方法並沒有是UI界面卡死
異步方法啟動瞭另外一個ID為12的線程

上面代碼執行順序：

前面我們說過，APM的BebinXXX必須返回IAsyncResult接口。那麼接下來我們分析IAsyncResult接口：

首先我們看：

確實返回的是IAsyncResult接口。那IAsyncResult到底長的什麼樣子？：

並沒有想象中的那麼復雜嘛。我們是否可以嘗試這實現這個接口，然後顯示自己的異步方法呢？

首先定一個類MyWebRequest，然後繼承IAsyncResult：（下面是基本的偽代碼實現）

public class MyWebRequest : IAsyncResult
{
    public object AsyncState
    {
        get { throw new NotImplementedException(); }
    }

    public WaitHandle AsyncWaitHandle
    {
        get { throw new NotImplementedException(); }
    }

    public bool CompletedSynchronously
    {
        get { throw new NotImplementedException(); }
    }

    public bool IsCompleted
    {
        get { throw new NotImplementedException(); }
    }
}

這樣肯定是不能用的，起碼也得有個存回調函數的屬性吧，下面我們稍微改造下：

然後我們可以自定義APM異步模型瞭：（成對的Begin、End）

public IAsyncResult MyBeginXX(AsyncCallback callback)
{
    var asyncResult = new MyWebRequest(callback, null);
    var request = WebRequest.Create("https://github.com/");
    new Thread(() =>  //重新啟用一個線程
    {
        using (StreamReader sr = new StreamReader(request.GetResponse().GetResponseStream()))
        {
            var str = sr.ReadToEnd();
            asyncResult.SetComplete(str);//設置異步結果
        }

    }).Start();
    return asyncResult;//返回一個IAsyncResult
}

public string MyEndXX(IAsyncResult asyncResult)
{
    MyWebRequest result = asyncResult as MyWebRequest;
    return result.Result;
}

調用如下:

private void button4_Click(object sender, EventArgs e)
 {
     Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
     MyBeginXX(new AsyncCallback(t =>
     {
         var result = MyEndXX(t);
         Debug.WriteLine("【Debug】" + result.Trim().Substring(0, 100) + "...");
         Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
     }));
     Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
 }

效果圖：

我們看到自己實現的效果基本上和系統提供的差不多。

啟用異步方法並沒有是UI界面卡死
異步方法啟動瞭另外一個ID為11的線程

【總結】

個人覺得APM異步模式就是啟用另外一個線程執行耗時任務，然後通過回調函數執行後續操作。

APM還可以通過其他方式獲取值，如：

while (!asyncResult.IsCompleted)//循環，直到異步執行完成 (輪詢方式)
{
    Thread.Sleep(100);
}
var stream2 = request.EndGetResponse(asyncResult).GetResponseStream();

或

asyncResult.AsyncWaitHandle.WaitOne();//阻止線程，直到異步完成 （阻塞等待）
var stream2 = request.EndGetResponse(asyncResult).GetResponseStream();

補充：如果是普通方法，我們也可以通過委托異步：（BeginInvoke、EndInvoke）

public void MyAction()
 {
     var func = new Func<string, string>(t =>
     {
         Thread.Sleep(2000);
         return "name:" + t + DateTime.Now.ToString();
     });
 
     var asyncResult = func.BeginInvoke("張三", t =>
     {
         string str = func.EndInvoke(t);
         Debug.WriteLine(str);
     }, null); 
 }

EAP

EAP 基於事件的異步模式，Event-based Asynchronous Pattern

此模式在C#2的時候隨之而來。

先來看個EAP的例子：

private void button3_Click(object sender, EventArgs e)
 {            
     Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

     BackgroundWorker worker = new BackgroundWorker();
     worker.DoWork += new DoWorkEventHandler((s1, s2) =>
     {
         Thread.Sleep(2000);
         Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
     });//註冊事件來實現異步
     worker.RunWorkerAsync(this);
     Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
 }

【效果圖】（同樣不會阻塞UI界面）

【特征】

通過事件的方式註冊回調函數
通過 XXXAsync方法來執行異步調用

例子很簡單，但是和APM模式相比，是不是沒有那麼清晰透明。為什麼可以這樣實現？事件的註冊是在幹嘛？為什麼執行RunWorkerAsync會觸發註冊的函數？

感覺自己又想多瞭…

我們試著反編譯看看源碼：

隻想說，這麼玩，有意思嗎？

TAP

TAP 基於任務的異步模式，Task-based Asynchronous Pattern

到目前為止，我們覺得上面的APM、EAP異步模式好用嗎？好像沒有發現什麼問題。再仔細想想…如果我們有多個異步方法需要按先後順序執行，並且需要(在主進程)得到所有返回值。

首先定義三個委托：

public Func<string, string> func1()
{
    return new Func<string, string>(t =>
    {
        Thread.Sleep(2000);
        return "name:" + t;
    });
}
public Func<string, string> func2()
{
    return new Func<string, string>(t =>
    {
        Thread.Sleep(2000);
        return "age:" + t;
    });
}
public Func<string, string> func3()
{
    return new Func<string, string>(t =>
    {
        Thread.Sleep(2000);
        return "sex:" + t;
    });
}

然後按照一定順序執行：

public void MyAction()
{
    string str1 = string.Empty, str2 = string.Empty, str3 = string.Empty;
    IAsyncResult asyncResult1 = null, asyncResult2 = null, asyncResult3 = null;
    asyncResult1 = func1().BeginInvoke("張三", t =>
    {
        str1 = func1().EndInvoke(t);
        Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
        asyncResult2 = func2().BeginInvoke("26", a =>
        {
            str2 = func2().EndInvoke(a);
            Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            asyncResult3 = func3().BeginInvoke("男", s =>
            {
                str3 = func3().EndInvoke(s);
                Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            }, null);
        }, null);
    }, null);

    asyncResult1.AsyncWaitHandle.WaitOne();
    asyncResult2.AsyncWaitHandle.WaitOne();
    asyncResult3.AsyncWaitHandle.WaitOne();
    Debug.WriteLine(str1 + str2 + str3);
}

除瞭難看、難讀一點好像也沒什麼。不過真的是這樣嗎？

asyncResult2是null?

由此可見在完成第一個異步操作之前沒有對asyncResult2進行賦值，asyncResult2執行異步等待的時候報異常。那麼如此我們就無法控制三個異步函數，按照一定順序執行完成後再拿到返回值。（理論上還是有其他辦法的，隻是會然代碼更加復雜）

是的，現在該我們的TAP登場瞭。

隻需要調用Task類的靜態方法Run，即可輕輕松松使用異步。

獲取返回值：

var task1 = Task<string>.Run(() =>
{
    Thread.Sleep(1500);
    Console.WriteLine("【Debug】task1 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    return "張三";
});
//其他邏輯            
task1.Wait();
var value = task1.Result;//獲取返回值
Console.WriteLine("【Debug】主 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

現在我們處理上面多個異步按序執行：

Console.WriteLine("【Debug】主 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
string str1 = string.Empty, str2 = string.Empty, str3 = string.Empty;
var task1 = Task.Run(() =>
{
    Thread.Sleep(500);
    str1 = "姓名：張三,";
    Console.WriteLine("【Debug】task1 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}).ContinueWith(t =>
{
    Thread.Sleep(500);
    str2 = "年齡：25,";
    Console.WriteLine("【Debug】task2 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}).ContinueWith(t =>
{
    Thread.Sleep(500);
    str3 = "愛好：妹子";
    Console.WriteLine("【Debug】task3 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
});

Thread.Sleep(2500);//其他邏輯代碼

task1.Wait();

Debug.WriteLine(str1 + str2 + str3);
Console.WriteLine("【Debug】主 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

[效果圖]

我們看到，結果都得到瞭，且是異步按序執行的。且代碼的邏輯思路非常清晰。如果你感受還不是很大，那麼你現象如果是100個異步方法需要異步按序執行呢？用APM的異步回調，那至少也得異步回調嵌套100次。那代碼的復雜度可想而知。

延伸思考

WaitOne完成等待的原理
異步為什麼會提升性能
線程的使用數量和CPU的使用率有必然的聯系嗎

問題1：WaitOne完成等待的原理

在此之前，我們先來簡單的瞭解下多線程信號控制AutoResetEvent類。

var _asyncWaitHandle = new AutoResetEvent(false);
_asyncWaitHandle.WaitOne();

此代碼會在WaitOne的地方會一直等待下去。除非有另外一個線程執行AutoResetEvent的set方法。

var _asyncWaitHandle = new AutoResetEvent(false);
_asyncWaitHandle.Set();
_asyncWaitHandle.WaitOne();

如此，到瞭WaitOne就可以直接執行下去。沒有有任何等待。

現在我們對APM 異步編程模型中的WaitOne等待是不是知道瞭點什麼呢。我們回頭來實現之前自定義異步方法的異步等待。

public class MyWebRequest : IAsyncResult
{
    //異步回調函數（委托）
    private AsyncCallback _asyncCallback;
    private AutoResetEvent _asyncWaitHandle;
    public MyWebRequest(AsyncCallback asyncCallback, object state)
    {
        _asyncCallback = asyncCallback;
        _asyncWaitHandle = new AutoResetEvent(false);
    }
    //設置結果
    public void SetComplete(string result)
    {
        Result = result;
        IsCompleted = true;
        _asyncWaitHandle.Set();
        if (_asyncCallback != null)
        {
            _asyncCallback(this);
        }
    }
    //異步請求返回值
    public string Result { get; set; }
    //獲取用戶定義的對象，它限定或包含關於異步操作的信息。
    public object AsyncState
    {
        get { throw new NotImplementedException(); }
    }
    // 獲取用於等待異步操作完成的 System.Threading.WaitHandle。
    public WaitHandle AsyncWaitHandle
    {
        //get { throw new NotImplementedException(); }

        get { return _asyncWaitHandle; }
    }
    //獲取一個值，該值指示異步操作是否同步完成。
    public bool CompletedSynchronously
    {
        get { throw new NotImplementedException(); }
    }
    //獲取一個值，該值指示異步操作是否已完成。
    public bool IsCompleted
    {
        get;
        private set;
    }
}

紅色代碼就是新增的異步等待。

【執行步驟】

問題2：異步為什麼會提升性能

比如同步代碼：

Thread.Sleep(10000);//假設這是個訪問數據庫的方法
Thread.Sleep(10000);//假設這是個訪問翻墻網站的方法

這個代碼需要20秒。

如果是異步：

var task = Task.Run(() =>
{
    Thread.Sleep(10000);//假設這是個訪問數據庫的方法
});
Thread.Sleep(10000);//假設這是個訪問翻墻網站的方法
task.Wait();

如此就隻要10秒瞭。這樣就節約瞭10秒。

如果是：

var task = Task.Run(() =>
{
    Thread.Sleep(10000);//假設這是個訪問數據庫的方法
}); 
task.Wait();

異步執行中間沒有耗時的代碼那麼這樣的異步將是沒有意思的。

或者：

var task = Task.Run(() =>
{
    Thread.Sleep(10000);//假設這是個訪問數據庫的方法
}); 
task.Wait();
Thread.Sleep(10000);//假設這是個訪問翻墻網站的方法

把耗時任務放在異步等待後，那這樣的代碼也是不會有性能提升的。

還有一種情況：

如果是單核CPU進行高密集運算操作，那麼異步也是沒有意義的。(因為運算是非常耗CPU,而網絡請求等待不耗CPU)

問題3：線程的使用數量和CPU的使用率有必然的聯系嗎

答案是否。

還是拿單核做假設。

情況1：

long num = 0;
while (true)
{
    num += new Random().Next(-100,100);
    //Thread.Sleep(100);
}

單核下，我們隻啟動一個線程，就可以讓你CPU爆滿。

啟動八次，八進程CPU基本爆滿。

情況2：

一千多個線程，而CPU的使用率竟然是0。由此，我們得到瞭之前的結論，線程的使用數量和CPU的使用率沒有必然的聯系。

雖然如此，但是也不能毫無節制的開啟線程。因為：

開啟一個新的線程的過程是比較耗資源的。（可是使用線程池，來降低開啟新線程所消耗的資源）
多線程的切換也是需要時間的。
每個線程占用瞭一定的內存保存線程上下文信息。

以上就是C#異步的世界(上)的詳細內容，更多關於C#異步的世界的資料請關註WalkonNet其它相關文章！

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