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一、什么是異步

同步和異步主要用于修飾方法。當(dāng)一個(gè)方法被調(diào)用時(shí)，調(diào)用者需要等待該方法執(zhí)行完畢并返回才能繼續(xù)執(zhí)行，我們稱這個(gè)方法是同步方法;當(dāng)一個(gè)方法被調(diào)用時(shí)立即返回，并獲取一個(gè)線程執(zhí)行該方法內(nèi)部的業(yè)務(wù)，調(diào)用者不用等待該方法執(zhí)行完畢，我們稱這個(gè)方法為異步方法。

異步的好處在于非阻塞(調(diào)用線程不會(huì)暫停執(zhí)行去等待子線程完成)，因此我們把一些不需要立即使用結(jié)果、較耗時(shí)的任務(wù)設(shè)為異步執(zhí)行，可以提高程序的運(yùn)行效率。net4.0在ThreadPool的基礎(chǔ)上推出了Task類，微軟極力推薦使用Task來執(zhí)行異步任務(wù)，現(xiàn)在C#類庫(kù)中的異步方法基本都用到了Task;net5.0推出了async/await，讓異步編程更為方便。本篇主要介紹Task、async/await相關(guān)的內(nèi)容，其他異步操作的方式會(huì)在下一篇介紹。

二、Task介紹

Task是在ThreadPool的基礎(chǔ)上推出的，我們簡(jiǎn)單了解下ThreadPool。ThreadPool中有若干數(shù)量的線程，如果有任務(wù)需要處理時(shí)，會(huì)從線程池中獲取一個(gè)空閑的線程來執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)執(zhí)行完畢后線程不會(huì)銷毀，而是被線程池回收以供后續(xù)任務(wù)使用。當(dāng)線程池中所有的線程都在忙碌時(shí)，又有新任務(wù)要處理時(shí)，線程池才會(huì)新建一個(gè)線程來處理該任務(wù)，如果線程數(shù)量達(dá)到設(shè)置的最大值，任務(wù)會(huì)排隊(duì)，等待其他任務(wù)釋放線程后再執(zhí)行。線程池能減少線程的創(chuàng)建，節(jié)省開銷，看一個(gè)ThreadPool的栗子吧

static void Main(string[] args) 
        { 
            for (int i = 1; i <=10; i++) 
            { 
                //ThreadPool執(zhí)行任務(wù) 
                ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback((obj) => { 
                    Console.WriteLine($"第{obj}個(gè)執(zhí)行任務(wù)"); 
                }),i); 
            } 
            Console.ReadKey(); 
        } 

上邊的代碼通過ThreadPool執(zhí)行了10個(gè)任務(wù)，執(zhí)行結(jié)果為：

ThreadPool相對(duì)于Thread來說可以減少線程的創(chuàng)建，有效減小系統(tǒng)開銷;但是ThreadPool不能控制線程的執(zhí)行順序，我們也不能獲取線程池內(nèi)線程取消/異常/完成的通知，即我們不能有效監(jiān)控和控制線程池中的線程。

1 Task創(chuàng)建和運(yùn)行

我們知道了ThreadPool的弊端：我們不能控制線程池中線程的執(zhí)行順序，也不能獲取線程池內(nèi)線程取消/異常/完成的通知。net4.0在ThreadPool的基礎(chǔ)上推出了Task，Task擁有線程池的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也解決了使用線程池不易控制的弊端。

首先看一下怎么去創(chuàng)建并運(yùn)行一個(gè)Task，Task的創(chuàng)建和執(zhí)行方式有如下三種：

static void Main(string[] args) 
        { 
            //1.new方式實(shí)例化一個(gè)Task，需要通過Start方法啟動(dòng) 
            Task task = new Task(() => 
            { 
                Thread.Sleep(100); 
                Console.WriteLine($"hello, task1的線程ID為{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); 
            }); 
            task.Start(); 
 
            //2.Task.Factory.StartNew(Action action)創(chuàng)建和啟動(dòng)一個(gè)Task 
            Task task2 = Task.Factory.StartNew(() => 
              { 
                  Thread.Sleep(100); 
                  Console.WriteLine($"hello, task2的線程ID為{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); 
              }); 
 
            //3.Task.Run(Action action)將任務(wù)放在線程池隊(duì)列，返回并啟動(dòng)一個(gè)Task 
            Task task3 = Task.Run(() => 
              { 
                  Thread.Sleep(100); 
                  Console.WriteLine($"hello, task3的線程ID為{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); 
              }); 
            Console.WriteLine("執(zhí)行主線程！"); 
            Console.ReadKey(); 
        } 

執(zhí)行結(jié)果如下：

我們看到先打印"執(zhí)行主線程"，然后再打印各個(gè)任務(wù)，說明了Task不會(huì)阻塞主線程。上邊的栗子Task都沒有返回值，我們也可以創(chuàng)建有返回值的Task ，用法和沒有返回值的基本一致,我們簡(jiǎn)單修改一下上邊的栗子，代碼如下：

static void Main(string[] args) 
        { 
            ////1.new方式實(shí)例化一個(gè)Task，需要通過Start方法啟動(dòng) 
            Task<string> task = new Task<string>(() => 
            { 
                return $"hello, task1的ID為{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"; 
            }); 
            task.Start(); 
 
            ////2.Task.Factory.StartNew(Func func)創(chuàng)建和啟動(dòng)一個(gè)Task 
           Task<string> task2 =Task.Factory.StartNew<string>(() => 
            { 
                return $"hello, task2的ID為{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"; 
            }); 
 
            ////3.Task.Run(Func func)將任務(wù)放在線程池隊(duì)列，返回并啟動(dòng)一個(gè)Task 
           Task<string> task3= Task.Run<string>(() => 
            { 
                return $"hello, task3的ID為{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"; 
            }); 
 
            Console.WriteLine("執(zhí)行主線程！"); 
            Console.WriteLine(task.Result); 
            Console.WriteLine(task2.Result); 
            Console.WriteLine(task3.Result); 
            Console.ReadKey(); 
        } 

注意task.Resut獲取結(jié)果時(shí)會(huì)阻塞線程，即如果task沒有執(zhí)行完成，會(huì)等待task執(zhí)行完成獲取到Result，然后再執(zhí)行后邊的代碼，程序運(yùn)行結(jié)果如下：

上邊的所有栗子中Task的執(zhí)行都是異步的，不會(huì)阻塞主線程。有些場(chǎng)景下我們想讓Task同步執(zhí)行怎么辦呢?Task提供了 task.RunSynchronously()用于同步執(zhí)行Task任務(wù)，代碼如下：

static void Main(string[] args) 
        { 
            Task task = new Task(() => 
            { 
                Thread.Sleep(100); 
                Console.WriteLine("執(zhí)行Task結(jié)束!"); 
            }); 
            //同步執(zhí)行，task會(huì)阻塞主線程 
            task.RunSynchronously(); 
            Console.WriteLine("執(zhí)行主線程結(jié)束！"); 
            Console.ReadKey(); 
        } 

執(zhí)行結(jié)果如下：

2 Task的阻塞方法(Wait/WaitAll/WaitAny)

1 Thread阻塞線程的方法

使用Thread時(shí)，我們知道用thread.Join()方法即可阻塞主線程?？匆粋€(gè)例子：

static void Main(string[] args) 
        { 
            Thread th1 = new Thread(() => { 
                Thread.Sleep(500); 
                Console.WriteLine("線程1執(zhí)行完畢！"); 
            }); 
            th1.Start(); 
            Thread th2 = new Thread(() => { 
                Thread.Sleep(1000); 
                Console.WriteLine("線程2執(zhí)行完畢！"); 
            }); 
            th2.Start(); 
            //阻塞主線程 
            th1.Join(); 
            th2.Join(); 
            Console.WriteLine("主線程執(zhí)行完畢！"); 
            Console.ReadKey(); 
        } 

如果注釋掉兩個(gè)Join，執(zhí)行結(jié)果是：先打印【主線程執(zhí)行完畢】，而添加兩個(gè)Join方法后執(zhí)行結(jié)果如下，實(shí)現(xiàn)了線程阻塞：

2 Task的Wait/WaitAny/WaitAll方法

Thread的Join方法可以阻塞調(diào)用線程，但是有一些弊端：①如果我們要實(shí)現(xiàn)很多線程的阻塞時(shí)，每個(gè)線程都要調(diào)用一次Join方法;②如果我們想讓所有的線程執(zhí)行完畢(或者任一線程執(zhí)行完畢)時(shí)，立即解除阻塞，使用Join方法不容易實(shí)現(xiàn)。Task提供了 Wait/WaitAny/WaitAll 方法，可以更方便地控制線程阻塞。

task.Wait() 表示等待task執(zhí)行完畢，功能類似于thead.Join(); Task.WaitAll(Task[] tasks) 表示只有所有的task都執(zhí)行完成了再解除阻塞; Task.WaitAny(Task[] tasks) 表示只要有一個(gè)task執(zhí)行完畢就解除阻塞，看一個(gè)栗子：

static void Main(string[] args) 
        { 
            Task task1 = new Task(() => { 
                Thread.Sleep(500); 
                Console.WriteLine("線程1執(zhí)行完畢！"); 
            }); 
            task1.Start(); 
            Task task2 = new Task(() => { 
                Thread.Sleep(1000); 
                Console.WriteLine("線程2執(zhí)行完畢！"); 
            }); 
            task2.Start(); 
            //阻塞主線程。task1,task2都執(zhí)行完畢再執(zhí)行主線程 
　　　　　　　//執(zhí)行【task1.Wait();task2.Wait();】可以實(shí)現(xiàn)相同功能 
            Task.WaitAll(new Task[]{ task1,task2}); 
            Console.WriteLine("主線程執(zhí)行完畢！"); 
            Console.ReadKey(); 
        } 

執(zhí)行結(jié)果如下：

如果將栗子中的WaitAll換成WaitAny，那么任一task執(zhí)行完畢就會(huì)解除線程阻塞，執(zhí)行結(jié)果是：先打印【線程1執(zhí)行完畢】，然后打印【主線程執(zhí)行完畢】，最后打印【線程2執(zhí)行完畢】

3 Task的延續(xù)操作(WhenAny/WhenAll/ContinueWith)

上邊的Wait/WaitAny/WaitAll方法返回值為void，這些方法單純的實(shí)現(xiàn)阻塞線程。我們現(xiàn)在想讓所有task執(zhí)行完畢(或者任一task執(zhí)行完畢)后，開始執(zhí)行后續(xù)操作，怎么實(shí)現(xiàn)呢?這時(shí)就可以用到WhenAny/WhenAll方法了，這些方法執(zhí)行完成返回一個(gè)task實(shí)例。 task.WhenAll(Task[] tasks) 表示所有的task都執(zhí)行完畢后再去執(zhí)行后續(xù)的操作， task.WhenAny(Task[] tasks) 表示任一task執(zhí)行完畢后就開始執(zhí)行后續(xù)操作。看一個(gè)栗子：

static void Main(string[] args) 
        { 
            Task task1 = new Task(() => { 
                Thread.Sleep(500); 
                Console.WriteLine("線程1執(zhí)行完畢！"); 
            }); 
            task1.Start(); 
            Task task2 = new Task(() => { 
                Thread.Sleep(1000); 
                Console.WriteLine("線程2執(zhí)行完畢！"); 
            }); 
            task2.Start(); 
            //task1，task2執(zhí)行完了后執(zhí)行后續(xù)操作 
            Task.WhenAll(task1, task2).ContinueWith((t) => { 
                Thread.Sleep(100); 
                Console.WriteLine("執(zhí)行后續(xù)操作完畢！"); 
            }); 
 
            Console.WriteLine("主線程執(zhí)行完畢！"); 
            Console.ReadKey(); 
        } 

執(zhí)行結(jié)果如下，我們看到WhenAll/WhenAny方法不會(huì)阻塞主線程，當(dāng)使用WhenAll方法時(shí)所有的task都執(zhí)行完畢才會(huì)執(zhí)行后續(xù)操作;如果把栗子中的WhenAll替換成WhenAny，則只要有一個(gè)線程執(zhí)行完畢就會(huì)開始執(zhí)行后續(xù)操作，這里不再演示。

上邊的栗子也可以通過 Task.Factory.ContinueWhenAll(Task[] tasks, Action continuationAction) 和 Task.Factory.ContinueWhenAny(Task[] tasks, Action continuationAction) 來實(shí)現(xiàn) ，修改上邊栗子代碼如下，執(zhí)行結(jié)果不變。

static void Main(string[] args) 
        { 
            Task task1 = new Task(() => { 
                Thread.Sleep(500); 
                Console.WriteLine("線程1執(zhí)行完畢！"); 
            }); 
            task1.Start(); 
            Task task2 = new Task(() => { 
                Thread.Sleep(1000); 
                Console.WriteLine("線程2執(zhí)行完畢！"); 
            }); 
            task2.Start(); 
            //通過TaskFactroy實(shí)現(xiàn) 
            Task.Factory.ContinueWhenAll(new Task[] { task1, task2 }, (t) => 
            { 
                Thread.Sleep(100); 
                Console.WriteLine("執(zhí)行后續(xù)操作"); 
            }); 
 
            Console.WriteLine("主線程執(zhí)行完畢！"); 
            Console.ReadKey(); 
        } 

4 Task的任務(wù)取消(CancellationTokenSource)

1 Thread取消任務(wù)執(zhí)行

在Task前我們執(zhí)行任務(wù)采用的是Thread,Thread怎么取消任務(wù)呢?一般流程是：設(shè)置一個(gè)變量來控制任務(wù)是否停止，如設(shè)置一個(gè)變量isStop，然后線程輪詢查看isStop，如果isStop為true就停止，代碼如下：

static void Main(string[] args) 
        { 
            bool isStop = false; 
            int index = 0; 
            //開啟一個(gè)線程執(zhí)行任務(wù) 
            Thread th1 = new Thread(() => 
              { 
                  while (!isStop) 
                  { 
                      Thread.Sleep(1000); 
                      Console.WriteLine($"第{++index}次執(zhí)行，線程運(yùn)行中..."); 
                  } 
              }); 
            th1.Start(); 
            //五秒后取消任務(wù)執(zhí)行 
            Thread.Sleep(5000); 
            isStop = true; 
            Console.ReadKey(); 
        } 

2 Task取消任務(wù)執(zhí)行

Task中有一個(gè)專門的類 CancellationTokenSource 來取消任務(wù)執(zhí)行，還是使用上邊的例子，我們修改代碼如下，程序運(yùn)行的效果不變。

static void Main(string[] args) 
        { 
            CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource(); 
            int index = 0; 
            //開啟一個(gè)task執(zhí)行任務(wù) 
            Task task1 = new Task(() => 
              { 
                  while (!source.IsCancellationRequested) 
                  { 
                      Thread.Sleep(1000); 
                      Console.WriteLine($"第{++index}次執(zhí)行，線程運(yùn)行中..."); 
                  } 
              }); 
            task1.Start(); 
            //五秒后取消任務(wù)執(zhí)行 
            Thread.Sleep(5000); 
            //source.Cancel()方法請(qǐng)求取消任務(wù)，IsCancellationRequested會(huì)變成true 
            source.Cancel(); 
            Console.ReadKey(); 
        } 

CancellationTokenSource的功能不僅僅是取消任務(wù)執(zhí)行，我們可以使用 source.CancelAfter(5000) 實(shí)現(xiàn)5秒后自動(dòng)取消任務(wù)，也可以通過 source.Token.Register(Action action) 注冊(cè)取消任務(wù)觸發(fā)的回調(diào)函數(shù)，即任務(wù)被取消時(shí)注冊(cè)的action會(huì)被執(zhí)行。看一個(gè)栗子：

static void Main(string[] args) 
        { 
            CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource(); 
            //注冊(cè)任務(wù)取消的事件 
            source.Token.Register(() => 
            { 
                Console.WriteLine("任務(wù)被取消后執(zhí)行xx操作！"); 
            }); 
 
            int index = 0; 
            //開啟一個(gè)task執(zhí)行任務(wù) 
            Task task1 = new Task(() => 
              { 
                  while (!source.IsCancellationRequested) 
                  { 
                      Thread.Sleep(1000); 
                      Console.WriteLine($"第{++index}次執(zhí)行，線程運(yùn)行中..."); 
                  } 
              }); 
            task1.Start(); 
            //延時(shí)取消，效果等同于Thread.Sleep(5000);source.Cancel(); 
            source.CancelAfter(5000); 
            Console.ReadKey(); 
        } 

執(zhí)行結(jié)果如下，第5次執(zhí)行在取消回調(diào)后打印，這是因?yàn)?，?zhí)行取消的時(shí)候第5次任務(wù)已經(jīng)通過了while()判斷，任務(wù)已經(jīng)執(zhí)行中了：

最后看上一篇跨線程的栗子，點(diǎn)擊按鈕啟動(dòng)一個(gè)任務(wù)，給tetxtbox賦值，我們把Thread改成Task，代碼如下：

public partial class Form1 : Form 
    { 
        public Form1() 
        { 
            InitializeComponent(); 
        } 
 
        private void mySetValueBtn_Click(object sender, EventArgs e) 
        { 
            Task.Run(() => 
            { 
                Action<int> setValue = (i) => { myTxtbox.Text = i.ToString(); }; 
                for (int i = 0; i < 1000000; i++) 
                { 
                    myTxtbox.Invoke(setValue,i); 
                } 
            }); 
        } 
    } 

運(yùn)行界面如下，賦值的task不會(huì)阻塞UI線程：

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三、異步方法(async/await)

在C#5.0中出現(xiàn)的 async和await ，讓異步編程變得更簡(jiǎn)單。我們看一個(gè)獲取文件內(nèi)容的栗子：

class Program 
    { 
        static void Main(string[] args) 
        { 
            string content = GetContentAsync(Environment.CurrentDirectory + @"/test.txt").Result; 
            //調(diào)用同步方法 
            //string content = GetContent(Environment.CurrentDirectory + @"/test.txt"); 
            Console.WriteLine(content); 
            Console.ReadKey(); 
        } 
        //異步讀取文件內(nèi)容 
        async static Task<string> GetContentAsync(string filename) 
        { 
             
            FileStream fs = new FileStream(filename, FileMode.Open); 
            var bytes = new byte[fs.Length]; 
            //ReadAync方法異步讀取內(nèi)容，不阻塞線程 
            Console.WriteLine("開始讀取文件"); 
            int len = await fs.ReadAsync(bytes, 0, bytes.Length); 
            string result = Encoding.UTF8.GetString(bytes); 
            return result; 
        } 
        //同步讀取文件內(nèi)容 
        static string GetContent(string filename) 
        { 
            FileStream fs = new FileStream(filename, FileMode.Open); 
            var bytes = new byte[fs.Length]; 
            //Read方法同步讀取內(nèi)容，阻塞線程 
            int len =  fs.Read(bytes, 0, bytes.Length); 
            string result = Encoding.UTF8.GetString(bytes); 
            return result; 
        } 
    } 

test.txt內(nèi)容是【hello world!】執(zhí)行結(jié)果為：

上邊的栗子也寫出了同步讀取的方式，將main函數(shù)中的注釋去掉即可同步讀取文件內(nèi)容。我們可以看到異步讀取代碼和同步讀取代碼基本一致。async/await讓異步編碼變得更簡(jiǎn)單，我們可以像寫同步代碼一樣去寫異步代碼。注意一個(gè)小問題：異步方法中方法簽名返回值為Task，代碼中的返回值為T。上邊栗子中GetContentAsync的簽名返回值為Task，而代碼中返回值為string。牢記這一細(xì)節(jié)對(duì)我們分析異步代碼很有幫助。

異步方法簽名的返回值有以下三種：

① Task：如果調(diào)用方法想通過調(diào)用異步方法獲取一個(gè)T類型的返回值，那么簽名必須為Task ;

② Task:如果調(diào)用方法不想通過異步方法獲取一個(gè)值，僅僅想追蹤異步方法的執(zhí)行狀態(tài)，那么我們可以設(shè)置異步方法簽名的返回值為Task;

③ void:如果調(diào)用方法僅僅只是調(diào)用一下異步方法，不和異步方法做其他交互，我們可以設(shè)置異步方法簽名的返回值為void，這種形式也叫做“調(diào)用并忘記”。

小結(jié)：到這里Task，async/await的簡(jiǎn)單使用已經(jīng)基本結(jié)束了，一些高級(jí)特性等到工作遇到了再去研究。通過上邊的介紹，我們知道async/await是基于Task的，而Task是對(duì)ThreadPool的封裝改進(jìn)，主要是為了更有效的控制線程池中的線程(ThreadPool中的線程，我們很難通過代碼控制其執(zhí)行順序，任務(wù)延續(xù)和取消等等);ThreadPool基于Thread的，主要目的是減少Thread創(chuàng)建數(shù)量和管理Thread的成本。async/await Task是C#中更先進(jìn)的，也是微軟大力推廣的特性，我們?cè)陂_發(fā)中可以嘗試使用Task來替代Thread/ThreadPool，處理本地IO和網(wǎng)絡(luò)IO任務(wù)是盡量使用async/await來提高任務(wù)執(zhí)行效率。

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