多线程和异步
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上一篇，我们学习了任务的基础，学会多种方式场景任务和执行，异步获取返回结果等。上一篇讲述的知识比较多，这一篇只要是代码实践和示例操作。

判断任务状态

属性说明
IsCanceled获取此 Task 实例是否由于被取消的原因而已完成执行。
IsCompleted获取一个值，它表示是否已完成任务。
IsCompletedSuccessfully了解任务是否运行到完成。
IsFaulted获取 Task是否由于未经处理异常的原因而完成。
Status获取此任务的 TaskStatus。

要检测一个任务是否出错(指任务因未经处理的异常而导致工作终止)，要使用 IsCanceled 和 IsFaulted 两个属性，只要任务抛出异常，IsFaulted 为 true。但是取消任务本质是抛出 OperationCancelExcetion 异常，不代表任务出错。

即使任务抛出了未经处理的异常，也算是完成了任务，因此 IsCompleted 属性，会为 true。

示例如下：

代码有点多，不易观察，请复制到程序中运行。

class Program
{
    static void Main()
    {
        // 正常任务
        Task task1 = new Task(() =>
        {
        });
        task1.Start();
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
        GetResult(task1.IsCanceled, task1.IsFaulted);
        Console.WriteLine("任务是否完成：" + task1.IsCompleted);
        Console.WriteLine("-------------------");

        // 异常任务
        Task task2 = new Task(() =>
        {
            throw new Exception();
        });
        task2.Start();
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
        GetResult(task2.IsCanceled, task2.IsFaulted);
        Console.WriteLine("任务是否完成：" + task2.IsCompleted);
        Console.WriteLine("-------------------");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

        CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
        // 取消任务
        Task task3 = new Task(() =>
        {
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(3));
        }, cts.Token);
        task3.Start();
        cts.Cancel();
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
        GetResult(task3.IsCanceled, task3.IsFaulted);
        Console.WriteLine("任务是否完成：" + task3.IsCompleted);
        Console.ReadKey();
    }

    public static void GetResult(bool isCancel, bool isFault)
    {
        if (isCancel == false && isFault == false)
            Console.WriteLine("没有异常发生");
        else if (isCancel == true)
            Console.WriteLine("任务被取消");
        else
            Console.WriteLine("任务引发了未经处理的异常");
    }
}

再说父子任务

在上一篇文章中《C#多线程：任务基础①》，我们学习了父子任务，父任务需要等待子任务完成后才算完成任务。

上一章只是给出示例，没有明确说明场景和实验结果，这里重新写一个示例来补充。

非父子任务：

外层任务不会等待内嵌的任务完成，直接完成或返回结果。

static void Main()
{
    //两个任务没有从属关系，是独立的
    Task<int> task = new Task<int>(() =>
    {
        // 非子任务
        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));
            }
        });
        task1.Start();
        return 666;
    });
    task.Start();
    Console.WriteLine($"任务运算结果是：{task.Result}");
    Console.WriteLine("\n-------------------\n");
    Console.ReadKey();
}

父子任务：

父任务等待子任务完成后，才能算完成任务，然后返回结果。

static void Main()
{
    // 父子任务
    Task<int> task = new Task<int>(() =>
    {
        // 子任务
        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");
        return 666;
    });

    task.Start();
    Console.WriteLine($"任务运算结果是：{task.Result}");
    Console.WriteLine("\n-------------------\n");

    Console.ReadKey();
}

组合任务/延续任务

Task.ContinueWith() 方法创建一个在 任务(Task)实例 完成时异步执行的延续任务。

Task.ContinueWith() 的重载方法非常多，可以参考：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.tasks.task.continuewith?view=netcore-3.1#--

这里我们使用的构造函数定义如下：

public Task ContinueWith(Action<Task> continuationAction);

一个简单的示例：

Task task = new Task(() =>
{
    Console.WriteLine("     第一个任务");
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
});

// 接下来第二个任务
task.ContinueWith(t =>
{
    Console.WriteLine($"     第二个任务}");
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
});
task.Start();

file

一个任务(Task) 是可以设置多个延续任务的，这些任务是并行的，例如：

static void Main()
{
    Task task = new Task(() =>
    {
        Console.WriteLine("     第一个任务");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
    });

    // 任务①
    task.ContinueWith(t =>
    {
        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            Console.WriteLine($"    任务① ");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
        }
    });

    // 任务②
    task.ContinueWith(t =>
    {
        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            Console.WriteLine($"     任务②");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
        }
    });

    // 任务① 和 任务② 属于同级并行任务

    task.Start();
}

file

通过多次实现延续/组合任务，会实现强有力的任务流程。

复杂的延续任务

经过上一小节，我们学习了 ContinueWith() 来延续任务，现在我们来学习更多的重载方法，实现更加复杂的延续。

ContinueWith() 重载方法很多，它们的参数都含有下面几种参数之一或多个。

  • continuationAction

    类型：Action 或 Func

一个要执行的任务。

  • state

    类型：Object

给延续任务传递的参数。

  • cancellationToken

    类型：CancellationToken

取消标记。

  • continuationOptions

    类型：TaskContinuationOptions

控制延续任务的创建和特性。

  • scheduler

    类型：TaskScheduler

要与延续任务关联并用于其执行过程的 TaskScheduler。

前面四个参数(类型)，在以往的文章中已经出现过，这里就不再赘述；TaskScheduler 类型，这里先讲解，后面再说。

注意 TaskCreationOptions 和 TaskContinuationOptions 的区别，在前一篇我们学习过 TaskCreationOptions。这里来学习 TaskContinuationOptions 。

TaskContinuationOptions 可以在以下重载上使用：

ContinueWith(Action, CancellationToken, TaskContinuationOptions, TaskScheduler)
ContinueWith(Action>, TaskContinuationOptions

在延续中，这样使用是无效的：

Task task = new Task(() =>
{
    Console.WriteLine("     第一个任务");
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
});
task.ContinueWith(t =>
{
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        Console.WriteLine($"    任务① ");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
    }
},TaskContinuationOptions.AttachedToParent);

因为 TaskContinuationOptions 需要有嵌套关系的父子任务，才能生效。

正确使用方法：

static void Main()
{
    // 父子任务
    Task<int> task = new Task<int>(() =>
    {
        // 子任务
        Task task1 = new Task(() =>
        {
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            Console.WriteLine("     内层任务1");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.5));
        }, TaskCreationOptions.AttachedToParent);

        task1.ContinueWith(t =>
        {
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            Console.WriteLine("内层延续任务，也属于子任务");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.5));
        }, TaskContinuationOptions.AttachedToParent);

        task1.Start();

        Console.WriteLine("最外层任务");
        return 666;
    });

    task.Start();
    Console.WriteLine($"任务运算结果是：{task.Result}");
    Console.WriteLine("\n-------------------\n");

    Console.ReadKey();
}

file

并行(异步)处理任务

这里我们来学习 Task.WhenAll() 方法的使用。

Task.WhenAll() ：等待提供的所有 Task 对象完成执行过程

使用示例如下：

static void Main()
{
    List<Task> tasks = new List<Task>();

    for (int i = 0; i < 5; i++)
        tasks.Add(Task.Run(() =>
        {
            Console.WriteLine($"任务开始执行");
        }));

    // public static Task WhenAll(IEnumerable<Task> tasks);

    // 相当于多个任务，生成一个任务
    Task taskOne = Task.WhenAll(tasks);
    // 不需要等待的话就去除
    taskOne.Wait();

    Console.ReadKey();
}

Task taskOne = Task.WhenAll(tasks); 可以写成 Task.WhenAll(tasks);，返回的 Task 对象可以用来判断任务执行情况。

要注意，下面这样是无效的：

你可以修改上面的代码进行测试。

tasks.Add(new Task(() =>
{
    Console.WriteLine($"任务开始执行");
}));

我也不知道为啥 new Task() 不行。。。

如果任务有返回值，则可以使用下面这种方法

static void Main()
{
    List<Task<int>> tasks = new List<Task<int>>();

    for (int i = 0; i < 5; i++)
        tasks.Add(Task.Run<int>(() =>
        {
            Console.WriteLine($"任务开始执行");
            return new Random().Next(0,10);
        }));

    Task<int[]> taskOne = Task.WhenAll(tasks);

    foreach (var item in taskOne.Result)
        Console.WriteLine(item);

    Console.ReadKey();
}

并行(同步)处理任务

Task.WaitAll()：等待提供的所有 Task 对象完成执行过程。

我们来看看 Task.WaitAll() 其中一个重载方法的定义：

public static bool WaitAll (Task[] tasks, int millisecondsTimeout, CancellationToken cancellationToken);
  • tasks 类型：Task[]

要执行的所有任务。

  • millisecondsTimeout 任务：Int32

等待的毫秒数，-1 表示无限期等待。

  • cancellationToken 类型：CancellationToken

等待任务完成期间要观察的 CancellationToken。

Task.WaitAll() 的示例如下：

static void Main()
{
    List<Task> tasks = new List<Task>();

    for (int i = 0; i < 5; i++)
        tasks.Add(Task.Run(() =>
        {
            Console.WriteLine($"任务开始执行");
        }));

    Task.WaitAll(tasks.ToArray());

    Console.ReadKey();
}

Task.WaitAll() 会让当前线程等待所有任务执行完毕。并且 Task.WaitAll() 是没有泛型的，也么没有返回结果。

并行任务的 Task.WhenAny

Task.WhenAny() 和 Task.WhenAll() 使用上差不多，Task.WhenAll() 当所有任务都完成时，才算完成，而 Task.WhenAny() 只要其中一个任务完成，都算完成。

这一点可以参考上面的 父子任务。

参考使用示例如下：

static void Main()
{
    List<Task> tasks = new List<Task>();

    for (int i = 0; i < 5; i++)
        tasks.Add(Task.Run(() =>
        {
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(new Random().Next(0, 5)));
            Console.WriteLine("     正在执行任务");
        }));
    Task taskOne = Task.WhenAny(tasks);
    taskOne.Wait(); // 任意一个任务完成，就可以解除等待

    Console.WriteLine("有任务已经完成了");

    Console.ReadKey();
}

当然，Task.WhenAny() 也有泛型方法，可以返回结果。

并行任务状态

Task.Status 属性可以获取任务的状态。其属性类型是一个 TaskStatus 枚举，其定义如下：

枚举值说明
Canceled6已经通过 CancellationToken 取消任务。
Created0该任务已初始化，但尚未被计划。
Faulted7由于未处理异常的原因而完成的任务。
RanToCompletion5已成功完成执行的任务。
Running3该任务正在运行，但尚未完成。
WaitingForActivation1该任务正在等待 .NET Framework 基础结构在内部将其激活并进行计划。
WaitingForChildrenToComplete4该任务已完成执行，正在隐式等待附加的子任务完成。
WaitingToRun2该任务已被计划执行，但尚未开始执行。

在使用并行任务时，Task.Status 的值，有一定规律：

  • 如果有其中一个任务出现未经处理的异常，那么返回TaskStatus.Faulted；
  • 如果所有任务都出现未经处理的异常，会返回 TaskStatus. RanToCompletion；
  • 如果其中一个任务被取消(即使出现未经处理的异常)，会返回 TaskStaus.Canceled；

循环中值变化问题

请运行测试下面两个示例：

static void Main()
{
    for (int i = 0; i < 5; i++)
        new Thread(() =>
        {
            Console.WriteLine($"i = {i}");
        }).Start();

    Console.ReadKey();
}
static void Main()
{
    List<Task> tasks = new List<Task>();

    for (int i = 0; i < 5; i++)
        tasks.Add(Task.Run(() =>
        {
            Console.WriteLine($"i = {i}");
        }));
    Task taskOne = Task.WhenAll(tasks);
    taskOne.Wait();

    Console.ReadKey();
}

你会发现，两个示例的结果并不是 1,2,3,4,5，而是 5,5,5,5,5。

这个问题称为 Race condition(竞争条件)，可以参考维基百科：

https://en.wikipedia.org/wiki/Race_condition

微软文档里面也有关于此问题的说明，请参考：

https://docs.microsoft.com/zh-cn/archive/blogs/ericlippert/closing-over-the-loop-variable-considered-harmful

由于 i 在整个生命周期，内存都是在同一个位置，每个线程或任务对其值得使用，都是指向相同位置的。

这样就行了：

static void Main()
{
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        int tmp = i;
        new Thread(() =>
        {
            Console.WriteLine($"i = {tmp}");
        }).Start();
    }

    Console.ReadKey();
}

这样是无效的：

for (int i = 0; i < 5; i++)
    new Thread(() =>
    {
        int tmp = i;
        Console.WriteLine($"i = {tmp}");
    }).Start();

TaskScheduler 类

表示一个处理将任务排队到线程中的低级工作的对象。

在线程池一章中，提到过线程池线程有本地队列、线程偷窥等，我们关注到了线程池数量对提高吞吐量的影响，我们可以使用 TaskScheduler 实现自己的调度逻辑。

TaskScheduler、ThreadPoolTaskScheduler 这些，笔者这里就不讲了，读者可以参考：

https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.tasks.taskscheduler?view=net-6.0

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