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async & await 的前世今生

作者：Jesse Liu
開發(fā) 后端
本文將會對Thread 到 Task 再到 .NET 4.5的 async和 await，這三種方式下的并行編程作一個概括性的介紹包括：開啟線程，線程結(jié)果返回，線程中止，線程中的異常處理等。

async 和 await 出現(xiàn)在C# 5.0之后，給并行編程帶來了不少的方便，特別是當在MVC中的Action也變成async之后，有點開始什么都是async的味道了。但是這也給我們編程埋下了一些隱患，有時候可能會產(chǎn)生一些我們自己都不知道怎么產(chǎn)生的Bug，特別是如果連線程基礎沒有理解的情況下，更不知道如何去處理了。那今天我們就來好好看看這兩兄弟和他們的叔叔（Task）爺爺(Thread)們到底有什么區(qū)別和特點，本文將會對Thread 到 Task 再到 .NET 4.5的 async和 await，這三種方式下的并行編程作一個概括性的介紹包括：開啟線程，線程結(jié)果返回，線程中止，線程中的異常處理等。

創(chuàng)建

  1. static void Main(){  
  2.     new Thread(Go).Start();  // .NET 1.0開始就有的   
  3.     Task.Factory.StartNew(Go); // .NET 4.0 引入了 TPL  
  4.     Task.Run(new Action(Go)); // .NET 4.5 新增了一個Run的方法  
  5. }  
  6.  
  7. public static void Go(){  
  8.     Console.WriteLine("我是另一個線程");  
  9. } 

這里面需要注意的是，創(chuàng)建Thread的實例之后，需要手動調(diào)用它的Start方法將其啟動。但是對于Task來說，StartNew和Run的同時，既會創(chuàng)建新的線程，并且會立即啟動它。

線程池 

線程的創(chuàng)建是比較占用資源的一件事情，.NET 為我們提供了線程池來幫助我們創(chuàng)建和管理線程。Task是默認會直接使用線程池，但是Thread不會。如果我們不使用Task，又想用線程池的話，可以使用ThreadPool類。

  1. static void Main() {  
  2.     Console.WriteLine("我是主線程：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("我是另一個線程:Thread Id {0}",Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);  
  10. } 

傳入?yún)?shù)

  1. static void Main() {  
  2.     new Thread(Go).Start("arg1"); // 沒有匿名委托之前，我們只能這樣傳入一個object的參數(shù)  
  3.    
  4.     new Thread(delegate(){  // 有了匿名委托之后...  
  5.         GoGoGo("arg1", "arg2", "arg3");  
  6.     });  
  7.    
  8.     new Thread(() => {  // 當然,還有 Lambada  
  9.         GoGoGo("arg1","arg2","arg3");  
  10.     }).Start();  
  11.    
  12.     Task.Run(() =>{  // Task能這么靈活，也是因為有了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  
  23. } 

返回值

Thead是不能返回值的，但是作為更高級的Task當然要彌補一下這個功能。

  1. static void Main() {  
  2.     // GetDayOfThisWeek 運行在另外一個線程中  
  3.     var dayName = Task.Run<string>(() => { return GetDayOfThisWeek(); });  
  4.     Console.WriteLine("今天是：{0}",dayName.Result);  
  5. } 

共享數(shù)據(jù)

上面說了參數(shù)和返回值，我們來看一下線程之間共享數(shù)據(jù)的問題。

  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; // 第二個線程來的時候，就不會再執(zhí)行了(也不是絕對的，取決于計算機的CPU數(shù)量以及當時的運行情況)  
  10.         Console.WriteLine("Done");  
  11.     }  
  12. } 

線程之間可以通過static變量來共享數(shù)據(jù)。

線程安全

我們先把上面的代碼小小的調(diào)整一下，就知道什么是線程安全了。我們把Done方法中的兩句話對換了一下位置 。

  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"); // 猜猜這里面會被執(zhí)行幾次？  
  11.         _isDone = true;   
  12.     }  
  13. } 

 

上面這種情況不會一直發(fā)生，但是如果你運氣好的話，就會中獎了。因為***個線程還沒有來得及把_isDone設置成true，第二個線程就進來了，而這不是我們想要的結(jié)果，在多個線程下，結(jié)果不是我們的預期結(jié)果，這就是線程不安全。

鎖

要解決上面遇到的問題，我們就要用到鎖。鎖的類型有獨占鎖，互斥鎖，以及讀寫鎖等，我們這里就簡單演示一下獨占鎖。

  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"); // 猜猜這里面會被執(zhí)行幾次？  
  13.             _isDone = true;  
  14.         }  
  15.     }  
  16. } 

再我們加上鎖之后，被鎖住的代碼在同一個時間內(nèi)只允許一個線程訪問，其它的線程會被阻塞，只有等到這個鎖被釋放之后其它的線程才能執(zhí)行被鎖住的代碼。

#p#

Semaphore 信號量

我實在不知道這個單詞應該怎么翻譯，從官方的解釋來看，我們可以這樣理解。它可以控制對某一段代碼或者對某個資源訪問的線程的數(shù)量，超過這個數(shù)量之后，其它的線程就得等待，只有等現(xiàn)在有線程釋放了之后，下面的線程才能訪問。這個跟鎖有相似的功能，只不過不是獨占的，它允許一定數(shù)量的線程同時訪問。

  1. static SemaphoreSlim _sem = new SemaphoreSlim(3);    // 我們限制能同時訪問的線程數(shù)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 + " 開始排隊...");  
  9.     _sem.Wait();  
  10.     Console.WriteLine(id + " 開始執(zhí)行！");            
  11.     Thread.Sleep(1000 * (int)id);                 
  12.     Console.WriteLine(id + " 執(zhí)行完畢，離開！");        
  13.     _sem.Release();  
  14. } 

在最開始的時候，前3個排隊之后就立即進入執(zhí)行，但是4和5，只有等到有線程退出之后才可以執(zhí)行。

異常處理

其它線程的異常，主線程可以捕獲到么？

  1. public static void Main(){  
  2.     try{  
  3.         new Thread(Go).Start();  
  4.     }  
  5.     catch (Exception ex){  
  6.         // 其它線程里面的異常，我們這里面是捕獲不到的。  
  7.         Console.WriteLine("Exception!");  
  8.     }  
  9. }  
  10. static void Go() { throw null; } 

那么升級了的Task呢？

  1. public static void Main(){  
  2.     try{  
  3.         var task = Task.Run(() => { Go(); });  
  4.         task.Wait();  // 在調(diào)用了這句話之后，主線程才能捕獲task里面的異常  
  5.    
  6.         // 對于有返回值的Task, 我們接收了它的返回值就不需要再調(diào)用Wait方法了  
  7.         // GetName 里面的異常我們也可以捕獲到  
  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; } 

一個小例子認識async & await

  1. static void Main(string[] args){  
  2.     Test(); // 這個方法其實是多余的, 本來可以直接寫下面的方法  
  3.     // await GetName()    
  4.     // 但是由于控制臺的入口方法不支持async,所有我們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關鍵字，就可以用await調(diào)用同樣打上async的方法  
  11.     // await 后面的方法將在另外一個線程中執(zhí)行  
  12.     await GetName();  
  13. }  
  14.    
  15. static async Task GetName(){  
  16.     // Delay 方法來自于.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.....");  
  20. } 

#p#

await 的原形

await后的的執(zhí)行順序 

 

感謝 locus的指正， await 之后不會開啟新的線程(await 從來不會開啟新的線程)，所以上面的圖是有一點問題的。

await 不會開啟新的線程，當前線程會一直往下走直到遇到真正的Async方法（比如說HttpClient.GetStringAsync），這個方法的內(nèi)部會用Task.Run或者Task.Factory.StartNew 去開啟線程。也就是如果方法不是.NET為我們提供的Async方法，我們需要自己創(chuàng)建Task，才會真正的去創(chuàng)建線程。

  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();   //我們這里沒有用 await,所以下面的代碼可以繼續(xù)執(zhí)行  
  12.     // 但是如果上面是 await GetName()，下面的代碼就不會立即執(zhí)行，輸出結(jié)果就不一樣了。  
  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.     // 這里還是主線程  
  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.     });  
  27. } 

我們再來看一下那張圖：

　　

  1. 進入主線程開始執(zhí)行
  2. 調(diào)用async方法，返回一個Task，注意這個時候另外一個線程已經(jīng)開始運行，也就是GetName里面的 Task 已經(jīng)開始工作了
  3. 主線程繼續(xù)往下走
  4. 第3步和第4步是同時進行的，主線程并沒有掛起等待
  5. 如果另一個線程已經(jīng)執(zhí)行完畢，name.IsCompleted=true，主線程仍然不用掛起，直接拿結(jié)果就可以了。如果另一個線程還同有執(zhí)行完畢, name.IsCompleted=false，那么主線程會掛起等待，直到返回結(jié)果為止。

只有async方法在調(diào)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 秒之后才會執(zhí)行這里  
  12.     Console.WriteLine(str);  
  13. } 

答案很明顯：await并不是針對于async的方法，而是針對async方法所返回給我們的Task，這也是為什么所有的async方法都必須返回給我們Task。所以我們同樣可以在Task前面也加上await關鍵字，這樣做實際上是告訴編譯器我需要等這個Task的返回值或者等這個Task執(zhí)行完畢之后才能繼續(xù)往下走。

不用await關鍵字，如何確認Task執(zhí)行完畢了？

  1. static void Main(){  
  2.     var task = Task.Run(() =>{  
  3.         return GetName();  
  4.     });  
  5.    
  6.     task.GetAwaiter().OnCompleted(() =>{  
  7.         // 2 秒之后才會執(zhí)行這里  
  8.         var name = task.Result;  
  9.         Console.WriteLine("My name is: " + name);  
  10.     });  
  11.    
  12.     Console.WriteLine("主線程執(zhí)行完畢");  
  13.     Console.ReadLine();  
  14. }  
  15.    
  16. static string GetName(){  
  17.     Console.WriteLine("另外一個線程在獲取名稱");  
  18.     Thread.Sleep(2000);  
  19.     return "Jesse";  
  20. } 

#p#

Task.GetAwaiter()和await Task 的區(qū)別？

 

  • 加上await關鍵字之后，后面的代碼會被掛起等待，直到task執(zhí)行完畢有返回值的時候才會繼續(xù)向下執(zhí)行，這一段時間主線程會處于掛起狀態(tài)。
  • GetAwaiter方法會返回一個awaitable的對象（繼承了INotifyCompletion.OnCompleted方法）我們只是傳遞了一個委托進去，等task完成了就會執(zhí)行這個委托，但是并不會影響主線程，下面的代碼會立即執(zhí)行。這也是為什么我們結(jié)果里面***句話會是 “主線程執(zhí)行完畢”！

Task如何讓主線程掛起等待？

上面的右邊是屬于沒有掛起主線程的情況，和我們的await仍然有一點差別，那么在獲取Task的結(jié)果前如何掛起主線程呢？

  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("主線程執(zhí)行完畢");  
  10.     Console.ReadLine();  
  11. }  
  12.    
  13. static string GetName(){  
  14.     Console.WriteLine("另外一個線程在獲取名稱");  
  15.     Thread.Sleep(2000);  
  16.     return "Jesse";  
  17. } 

　　

Task.GetAwait()方法會給我們返回一個awaitable的對象，通過調(diào)用這個對象的GetResult方法就會掛起主線程，當然也不是所有的情況都會掛起。還記得我們Task的特性么？ 在一開始的時候就啟動了另一個線程去執(zhí)行這個Task，當我們調(diào)用它的結(jié)果的時候如果這個Task已經(jīng)執(zhí)行完畢，主線程是不用等待可以直接拿其結(jié)果的，如果沒有執(zhí)行完畢那主線程就得掛起等待了。

await 實質(zhì)是在調(diào)用awaitable對象的GetResult方法

  1. static async Task Test(){  
  2.     Task<string> task = Task.Run(() =>{  
  3.         Console.WriteLine("另一個線程在運行！");  // 這句話只會被執(zhí)行一次  
  4.         Thread.Sleep(2000);  
  5.         return "Hello World";  
  6.     });  
  7.    
  8.     // 這里主線程會掛起等待，直到task執(zhí)行完畢我們拿到返回結(jié)果  
  9.     var result = task.GetAwaiter().GetResult();    
  10.     // 這里不會掛起等待，因為task已經(jīng)執(zhí)行完了，我們可以直接拿到結(jié)果  
  11.     var result2 = await task;       
  12.     Console.WriteLine(str);  
  13. } 

到此為止，await就真相大白了，歡迎點評。Enjoy Coding! :) 

本文來自：http://www.cnblogs.com/jesse2013/p/async-and-await.html

責任編輯：林師授 來源： 博客園
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