多线程和异步
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多线程编程

多线程编程模式

.NET 中，有三种异步编程模式，分别是基于任务的异步模式(TAP)、基于事件的异步模式(EAP)、异步编程模式(APM)。

  • 基于任务的异步模式 (TAP) ：.NET 推荐使用的异步编程方法，该模式使用单一方法表示异步操作的开始和完成。包括我们常用的 async 、await 关键字，属于该模式的支持。
  • 基于事件的异步模式 (EAP) ：是提供异步行为的基于事件的旧模型。在线程池一章中提到过此模式，.NET Core 已经不支持。
  • 异步编程模型 (APM) 模式：也称为 IAsyncResult 模式，，这是使用 IAsyncResult 接口提供异步行为的旧模型。.NET Core 也不支持。

前面，我们学习了三部分的内容：

  • 线程基础：如何创建线程、获取线程信息以及等待线程完成任务；
  • 线程同步：探究各种方式实现进程和线程同步，以及线程等待；
  • 线程池：线程池的优点和使用方法，基于任务的操作；

这篇开始探究任务和异步，而任务和异步是十分复杂的，内容错综复杂，笔者可能讲不好。。。

探究优点

在前面中，学习多线程(线程基础和线程同步)，一共写了 10 篇，写了这么多代码，我们现在来探究一下多线程编程的复杂性。

  1. 传递数据和返回结果

传递数据倒是没啥问题，只是难以获取到线程的返回值，处理线程的异常也需要技巧。

  1. 监控线程的状态

新建新的线程后，如果需要确定新线程在何时完成，需要自旋或阻塞等方式等待。

  1. 线程安全

设计时要考虑如果避免死锁、合理使用各种同步锁，要考虑原子操作，同步信号的处理需要技巧。

  1. 性能

玩多线程，最大需求就是提升性能，但是多线程中有很多坑，使用不当反而影响性能。

[以上总结可参考《C# 7.0本质论》19.3节，《C# 7.0核心技术指南》14.3 节]

我们通过使用线程池，可以解决上面的部分问题，但是还有更加好的选择，就是 Task(任务)。另外 Task 也是异步编程的基础类型，后面很多内容要围绕 Task 展开。

原理的东西，还是多参考微软官方文档和书籍，笔者讲的不一定准确，而且不会深入说明这些。

任务操作

任务(Task)实在太多 API 了，也有各种骚操作，要讲清楚实在不容易，我们要慢慢来，一点点进步，一点点深入，多写代码测试。

下面与笔者一起，一步步熟悉、摸索 Task 的 API。

两种创建任务的方式

通过其构造函数创建一个任务，其构造函数定义为：

public Task (Action action);

其示例如下：

class Program
{
    static void Main()
    {
        // 定义两个任务
        Task task1 = new Task(()=> 
        {
            Console.WriteLine("① 开始执行");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("① 执行中");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("① 执行即将结束");
        });

        Task task2 = new Task(MyTask);
        // 开始任务
        task1.Start();
        task2.Start();

        Console.ReadKey();
    }

    private static void MyTask()
    {
        Console.WriteLine("② 开始执行");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

        Console.WriteLine("② 执行中");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

        Console.WriteLine("② 执行即将结束");
    }
}

.Start() 方法用于启动一个任务。微软文档解释：启动 Task，并将它安排到当前的 TaskScheduler 中执行。

TaskScheduler 这个东西，我们后面讲，别急。

另一种方式则使用 Task.Factory，此属性用于创建和配置 Task 和 Task<TResult> 实例的工厂方法。

使用https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.tasks.taskfactory.startnew?view=netcore-3.1#--可以添加任务。

当需要对长时间运行、计算限制的任务(计算密集型)进行精细控制时才使用 StartNew() 方法； 官方推荐使用 Task.Run 方法启动计算限制任务。 Task.Factory.StartNew() 可以实现比 Task.Run() 更细粒度的控制。

Task.Factory.StartNew() 的重载方法是真的多，你可以参考： https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.tasks.taskfactory.startnew?view=netcore-3.1#--

这里我们使用两个重载方法编写示例：

public Task StartNew(Action action);
public Task StartNew(Action action, TaskCreationOptions creationOptions);

代码示例如下：

class Program
{
    static void Main()
    {
        // 重载方法 1
        Task.Factory.StartNew(() =>
        {
            Console.WriteLine("① 开始执行");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("① 执行中");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("① 执行即将结束");
        });

        // 重载方法 1
        Task.Factory.StartNew(MyTask);

        // 重载方法 2
        Task.Factory.StartNew(() =>
        {
            Console.WriteLine("① 开始执行");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("① 执行中");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("① 执行即将结束");
        },TaskCreationOptions.LongRunning);

        Console.ReadKey();
    }

    // public delegate void TimerCallback(object? state);
    private static void MyTask()
    {
        Console.WriteLine("② 开始执行");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

        Console.WriteLine("② 执行中");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

        Console.WriteLine("② 执行即将结束");
    }
}

通过 Task.Factory.StartNew() 方法添加的任务，会进入线程池任务队列然后自动执行，不需要手动启动。

TaskCreationOptions.LongRunning 是控制任务创建特性的枚举，后面讲。

Task.Run() 创建任务

Task.Run() 创建任务，跟 Task.Factory.StartNew() 差不多，当然 Task.Run() 还有很多重载方法和骚操作，我们后面再来学。

Task.Run() 创建任务示例代码如下：

static void Main()
{
    Task.Run(() =>
    {
        Console.WriteLine("① 开始执行");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

        Console.WriteLine("① 执行中");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

        Console.WriteLine("① 执行即将结束");
    });
    Console.ReadKey();
}

取消任务

取消任务，《C#多线程(12)：线程池》 中说过一次，不过控制太自由，全靠任务本身自觉判断是否取消。

这里我们通过 Task 来实现任务的取消，其取消是实时的、自动的，并且不需要手工控制。

其构造函数如下：

public Task StartNew(Action action, CancellationToken cancellationToken);

代码示例如下：

按下回车键的时候记得切换字母模式。

class Program
{
    static void Main()
    {
        Console.WriteLine("任务开始启动，按下任意键，取消执行任务");
        CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
        Task.Factory.StartNew(MyTask, cts.Token);

        Console.ReadKey();

        cts.Cancel();       // 取消任务
        Console.ReadKey();
    }

    // public delegate void TimerCallback(object? state);
    private static void MyTask()
    {
        Console.WriteLine(" 开始执行");
        int i = 0;
        while (true)
        {
            Console.WriteLine($" 第{i}次任务");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("     执行中");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("     执行结束");
            i++;
        }
    }
}

父子任务

前面创建任务的时候，我们碰到了 TaskCreationOptions.LongRunning 这个枚举类型，这个枚举用于控制任务的创建以及设定任务的行为。

其枚举如下：

枚举值说明
AttachedToParent4指定将任务附加到任务层次结构中的某个父级。
DenyChildAttach8指定任何尝试作为附加的子任务执行的子任务都无法附加到父任务，会改成作为分离的子任务执行。
HideScheduler16防止环境计划程序被视为已创建任务的当前计划程序。
LongRunning2指定任务将是长时间运行的、粗粒度的操作，涉及比细化的系统更少、更大的组件。
None0指定应使用默认行为。
PreferFairness1提示 TaskScheduler 以一种尽可能公平的方式安排任务。
RunContinuationsAsynchronously64强制异步执行添加到当前任务的延续任务。

这个枚举在 TaskFactory 和 TaskFactory<TResult> 、Task 和 Task<TResult> 、

StartNew()、FromAsync() 、TaskCompletionSource<TResult> 等地方可以使用到。

注意，子任务使用了 TaskCreationOptions.AttachedToParent ，并不是指父任务要等待子任务完成后，父任务才能继续完往下执行；而是指父任务如果先执行完毕，那么必须等待子任务完成后，父任务才算完成。

这里来探究 TaskCreationOptions.AttachedToParent的使用。代码示例如下：

// 父子任务
Task task = new Task(() =>
{
    // TaskCreationOptions.AttachedToParent
    // 将此任务附加到父任务中
    // 父任务需要等待所有子任务完成后，才能算完成
    Task task1 = new Task(() =>
    {
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            Console.WriteLine("     内层任务1");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.5));
        }
    }, TaskCreationOptions.AttachedToParent);
    task1.Start();

    Console.WriteLine("最外层任务");
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
});

task.Start();
task.Wait();

Console.ReadKey();

而 TaskCreationOptions.DenyChildAttach 则不允许其它任务附加到外层任务中。

static void Main()
{
    // 不允许出现父子任务
    Task task = new Task(() =>
    {
        Task task1 = new Task(() =>
        {
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                Console.WriteLine("  内层任务1");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.5));
            }
        }, TaskCreationOptions.AttachedToParent);
        task1.Start();

        Console.WriteLine("最外层任务");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
    }, TaskCreationOptions.DenyChildAttach); // 不收儿子

    task.Start();
    task.Wait();

    Console.ReadKey();
}

然后，这里也学习了一个新的 Task 方法：Wait() 等待 Task 完成执行过程。Wait() 也可以设置超时时间。

如果父任务是通过调用 Task.Run 方法而创建的，则可以隐式阻止子任务附加到其中。

关于附加的子任务，请参考：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/parallel-programming/attached-and-detached-child-tasks?view=netcore-3.1

任务返回结果以及异步获取返回结果

要获取任务返回结果，要使用泛型类或方法创建任务，例如 Task<Tresult>、Task.Factory.StartNew<TResult>()、Task.Run<TResult>。

通过 其泛型的 的 Result 属性，可以获得返回结果。

异步获取任务执行结果：

class Program
{
    static void Main()
    {
        // *******************************
        Task<int> task = new Task<int>(() =>
        {
            return 666;
        });
        // 执行
        task.Start();
        // 获取结果，属于异步
        int number = task.Result;

        // *******************************
        task = Task.Factory.StartNew<int>(() =>
        {
            return 666;
        });

        // 也可以异步获取结果
        number = task.Result;

        // *******************************
        task = Task.Run<int>(() =>
          {
              return 666;
          });

        // 也可以异步获取结果
        number = task.Result;
        Console.ReadKey();
    }
}

如果要同步的话，可以改成：

int number = Task.Factory.StartNew<int>(() =>
{
    return 666;
}).Result;

捕获任务异常

进行中的任务发生了异常，不会直接抛出来阻止主线程执行，当获取任务处理结果或者等待任务完成时，异常会重新抛出。

示例如下：

static void Main()
{
    // *******************************
    Task<int> task = new Task<int>(() =>
    {
        throw new Exception("反正就想弹出一个异常");
    });
    // 执行
    task.Start();
    Console.WriteLine("任务中的异常不会直接传播到主线程");
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

    // 当任务发生异常，获取结果时会弹出
    int number = task.Result;

    // task.Wait(); 等待任务时，如果发生异常，也会弹出

    Console.ReadKey();
}

乱抛出异常不是很好的行为噢~可以改成如下：

static void Main()
{
    Task<Program> task = new Task<Program>(() =>
    {
        try
        {
            throw new Exception("反正就想弹出一个异常");
            return new Program();
        }
        catch
        {
            return null;
        }
    });
    task.Start();

    var result = task.Result;
    if (result is null)
        Console.WriteLine("任务执行失败");
    else Console.WriteLine("任务执行成功");

    Console.ReadKey();
}

全局捕获任务异常

TaskScheduler.UnobservedTaskException 是一个事件，其委托定义如下：

public delegate void EventHandler<TEventArgs>(object? sender, TEventArgs e);

下面是一个示例：

请发布程序后，打开目录执行程序。

class Program
{
    static void Main()
    {
        TaskScheduler.UnobservedTaskException += MyTaskException;

        Task.Factory.StartNew(() =>
         {
             throw new ArgumentNullException();
         });
        Thread.Sleep(100);
        GC.Collect();
        GC.WaitForPendingFinalizers();

        Console.WriteLine("Done");
        Console.ReadKey();
    }
    public static void MyTaskException(object sender, UnobservedTaskExceptionEventArgs eventArgs)
    {
        // eventArgs.SetObserved();
        ((AggregateException)eventArgs.Exception).Handle(ex =>
        {
            Console.WriteLine("Exception type: {0}", ex.GetType());
            return true;
        });
    }
}

TaskScheduler.UnobservedTaskException 到底怎么用，笔者不太清楚，效果难以观察，读者可自行参考：

https://stackoverflow.com/search?q=TaskScheduler.UnobservedTaskException

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