異步編程和線程處理是並發或並行編程非常重要的功能特征。為了實現異步編程，可使用線程也可以不用。將異步與線程同時講，將有助於我們更好的理解它們的特征。
本文中涉及關鍵知識點
1. 異步編程
2. 線程的使用
3. 基於任務的異步模式
4. 並行編程
5. 總結
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異步編程
什么是異步操作？異步操作是指某些操作能夠獨立運行，不依賴主流程或主其他處理流程。通常情況下，C＃程序從Main方法開始，當Main方法返回時結束。所有的操作都是按順序執行的。執行操作是有序列的，一個操作必須等到其前面的操作完成才能夠執行。如以下代碼示例：
1: static void Main(string[] args)
2:
3: {
4:
5: DoTaskOne();
6:
7: DoTaskTwo();
8:
9: }
“DoTaskOne”方法結束后，DoTaskTwo()才能夠執行。
異步編程中常用后台運行的方法體現，主調用線程不會被阻塞。調用后台運行的方法后，執行流程會立即返回到調用的線程並繼續執行其他任務。后台運行方法通常是用線程或任務來實現。
在上面的例子中，在“DoTaskOne”方法調用成功后，如果“DoTaskOne”是異步調用，，執行流程立即返回到Main方法中，並繼續執行“DoTaskTwo” 方法。
C#提供了Thread類創建線程實現異步編程，或者使用.NET提供的異步模式實現異步編程。.NET中提供了三種不同的異步模式：
1. 異步編程模型（APM）模式
2. 基於事件的異步模式（EAP）
3. 基於任務的異步模式（TAP）
前兩種模型微軟官方並不推薦使用，本文不再詳細描述。我們將詳細討論基於任務的異步模式（TAP）：
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線程的使用
在.NET 4.5中引入了異步編程模式，大部分情況下都不需要我們手動創建線程。編譯器已經替代了開發人員來完成這項工作。
創建新線程是非常耗時的。一般情況下，異步和並行編程使用 “基於任務的異步模式（TAP）”和“任務並行庫（TPL）”就夠了。如果需要控制線程的功能則需要使用其他模式。
TAP和TPL都是基於任務。一般來說任務是從線程池中調用線程（ 線程池是.NET框架創建的和維護的線程集。如果我們使用任務，就不需要直接調用線程池。
任務可以在以下情況運行：
1. 在正在運行的線程中
2. 在新線程中
3. 從線程池中的某一線程中
4. 沒有線程也可以運行
如果使用任務機制，開發人員就不必擔心線程的創建或使用，.NET框架已經為我們解決了這一難題。
有時候需要控制線程，執行以下操作：
1. 設置線程名稱
2. 設置線程優先級
3. 設置線程是前端或后端運行
我們可以使用線程類來創建線程。
使用Thread類創建線程
Thread類的構造函數接收委托類型的參數
1. ThreadStart：定義了返回值為空的方法，且不帶參數的方法。
2. ParameterizedThreadStart：定義了返回值為空且有一個object類型的參數。
下面是一個簡單的例子，使用 Start方法啟動一個新線程：
1: static void Main(string[] args)
2:
3: {
4:
5: Thread thread = new Thread(DoTask);
6:
7: thread.Start();// Start DoTask method in a new thread
8:
9: //Do other tasks in main thread
10:
11: }
12:
13: static public void DoTask() {
14:
15: //do something in a new thread
16:
17: }
可以用Lamda表達式代替線程名稱：
1: static void Main(string[] args)
2:
3: {
4:
5: Thread thread = new Thread(() => {
6:
7: //do something in a new thread
8:
9: });
10:
11: thread.Start();// Start a new thread
12:
13: //Do other tasks in main thread
14:
15: }
如果不需要引用變量，可如下直接啟動線程：
1: static void Main(string[] args)
2:
3: {
4:
5: new Thread(() => {
6:
7: //do something in a new thread
8:
9: }).Start();// Start a new thread
10:
11: //Do other tasks in main thread
12:
13: }
但是，如果想控制線程對象，對線程設置一些屬性，需要在線程創建后引用線程變量。如下可給線程對象的不同屬性設值：
1: static void Main(string[] args)
2:
3: {
4:
5: Thread thread = new Thread(DoTask);
6:
7: thread.Name = "My new thread";// Asigning name to the thread
8:
9: thread.IsBackground = false;// Made the thread forground
10:
11: thread.Priority = ThreadPriority.AboveNormal;// Setting thread priority
12:
13: thread.Start();// Start DoTask method in a new thread
14:
15: //Do other task in main thread
16:
17: }
調用引用變量，可以執行一些操作如中止線程或通過調用join方法等待阻塞線程。
如果需要通過函數傳值，可以給Start方法傳值。由於該方法的參數為Object類型，因此需要強制轉換類型。
1: static void Main(string[] args)
2:
3: {
4:
5: Thread thread = new Thread(DoTaskWithParm);
6:
7: thread.Start("Passing string");// Start DoTaskWithParm method in a new thread
8:
9: //Do other task in main thread
10:
11: }
12:
13: static public void DoTaskWithParm(object data)
14:
15: {
16:
17: //we need to cast the data to appropriate object
18:
19: }
“async”和“await”關鍵字
.NET框架引入了兩個新的關鍵字來實現異步編程：“async”和“await”。使用 “await”的異步方法必須由“async”修飾符來聲明方法。“await”關鍵字修飾調用異步方法。await 運算符應用於一個異步方法中的任務以掛起該方法的執行，直到等待任務完成.如下：
1: private async static void CallerWithAsync()// async modifier is used
2:
3: {
4:
5: string result = await GetSomethingAsync();// await is used before a method call. It suspends
6: //execution of CallerWithAsync() method and control returs to the calling thread that can
//perform other task.
7:
8: Console.WriteLine(result);
9: // this line would not be executed before GetSomethingAsync() //method completes
10:
11: }
而“ async ”修飾符只能用於返回值為Task類型或Void的方法。它不能用於主程序的切入點。
所有的方法之前不能使用await關鍵字，使用“await”關鍵字方法必須返回 “可等待”類型。以下屬於“可等待”類型：
1. Task
2. Task<T>
3. 自定義“可等待”類型。
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基於任務的異步模式
首先我們需要聲明一個返回類型為Task或Task<T>的異步方法。可以通過以下幾種方式創建任務：
1. Task.Factory.StartNew方法：在之前的.NET版本（在.NET 4中），是創建和啟動任務的主要方法。
2. Task.Run或Task.Run <T>方法：從.NET 4.5這個方法已經被使用。此方法足以滿足常見情況。
3. Task.FromResult方法：如果結果是已計算，就可以用這個方法來創建任務。
創建並等待一個任務
使用Task.Run <T>方法創建Task。該方法將特定工作按順序排列在線程池中運行，並返回工作的任務句柄。需要以下步驟從同步方法中創建異步任務：
1. 假設下面方法是同步的，但需要一定的時間來完成：
1: static string Greeting(string name)
2:
3: {
4:
5: Thread.Sleep(3000);
6:
7: return string.Format("Hello, {0}", name);
8:
9: }
2. 要以異步方式訪問此方法，必須以異步方式封裝。命名為“GreetingAsync”。增加“Async”的后綴命名異步方法。
1: static Task<string> GreetingAsync(string name)
2:
3: {
4:
5: return Task.Run<string>(() =>
6:
7: {
8:
9: return Greeting(name);
10:
11: });
12:
13: }
3.現在，可通過使用的await關鍵字調用異步方法GreetingAsync
1: private async static void CallWithAsync()
2:
3: {
4:
5: //some other tasks
6:
7: string result = await GreetingAsync("Bulbul");
8:
9: //We can add multiple “await” in same “async” method
10:
11: //string result1 = await GreetingAsync(“Ahmed”);
12:
13: //string result2 = await GreetingAsync(“Every Body”);
14:
15: Console.WriteLine(result);
16:
17: }
當“CallWithAsync”方法被調用時，與常規的同步方法一樣執行，直到遇到“await”的關鍵字。當它執行到 await的關鍵字會處理執行，並開始等待“GreetingAsync（” Bulbul “）” 方法被完成。同時，程序流將返回” CallWithAsync “方法的調用者，並繼續執行調用者的任務。
當“GreetingAsync（" Bulbul "） 方法完成，“CallWithAsync”的方法恢復 “await關鍵字后的其他任務。在本實例中，將繼續執行的代碼“Console.WriteLine（result）”
4. 使用任務持續：Task類 “ContinueWith”的方法定義了Task完成后被調用的代碼。
1: private static void CallWithContinuationTask()
2:
3: {
4:
5: Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");
6:
7: t1.ContinueWith(t =>
8:
9: {
10:
11: string result = t.Result;
12:
13: Console.WriteLine(result);
14:
15: });
16:
17: }
如果使用“ContinueWith”的方法就不需要使用“await“關鍵字，編譯器會自動在合適的位置中添加“await”關鍵字。
等候多個異步方法。
看看下面的代碼：
1: private async static void CallWithAsync()
2:
3: {
4:
5: string result = await GreetingAsync("Bulbul");
6:
7: string result1 = await GreetingAsync(“Ahmed”);
8:
9: Console.WriteLine(result);
10:
11: Console.WriteLine(result1);
12:
13: }
有兩個正在等待調用函數序列。“GreetingAsync（” Ahmed “）” 會在完成第一個呼叫“GreetingAsync（” Bulbul “）” 之后啟動。如果“result”和上面的代碼“result1”是獨立的，那么連續的“awiating”並不是一個好的做法。
在這種情況下，我們可以簡化調用方法，不需要添加多個“await”關鍵字，只在一個地方添加await關鍵字，如下所示，這種情況下，該方法的調用都可以並行執行。
1: private async static void MultipleAsyncMethodsWithCombinators()
2:
3: {
4:
5: Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");
6:
7: Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed");
8:
9: await Task.WhenAll(t1, t2);
10:
11: Console.WriteLine("Finished both methods.\n " +
12:
13: "Result 1: {0}\n Result 2: {1}", t1.Result, t2.Result);
14:
15: }
在這里，我們使用Task.WhenAll連接器。Task.WhenAll創建一個任務，將完成所有的提供的任務。Task類也有其他的結合器。Task.WhenAny，當所任務鏈中所有的任務完成時，結束使用。
處理異常
必須把“await的代碼塊放在try塊內捕獲異常。
1: private async static void CallWithAsync()
2:
3: {
4:
5: try
6:
7: {
8:
9: string result = await GreetingAsync("Bulbul");
10:
11: }
12:
13: catch (Exception ex)
14:
15: {
16:
17: Console.WriteLine(“handled {0}”, ex.Message);
18:
19: }
20:
21: }
如果try塊中有多個“await”，只有第一個” await“異常會被處理，其他“await”將無法被捕捉。如果希望所有的方法都能捕獲異常，不能使用“await”關鍵字調用方法，使用Task.WhenAll來執行任務。
1: private async static void CallWithAsync()
2:
3: {
4:
5: try
6:
7: {
8:
9: Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");
10:
11: Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed");
12:
13: await Task.WhenAll(t1, t2);
14:
15: }
16:
17: catch (Exception ex)
18:
19: {
20:
21: Console.WriteLine(“handled {0}”, ex.Message);
22:
23: }
24:
25: }
捕獲所有任務的錯誤一種方法是在try塊之外聲明任務，這樣可以從try塊進行訪問，並檢查任務的“IsFaulted”屬性。如果它存在異常那么“IsFaulted”屬性值為True，就可捕獲任務實例的內部異常。
還有另一個更好的辦法：
1: static async void ShowAggregatedException()
2:
3: {
4:
5: Task taskResult = null;
6:
7: try
8:
9: {
10: Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul");
11:
12: Task<string> t2 = GreetingAsync("Ahmed");
13:
14: await (taskResult = Task.WhenAll(t1, t2));
15:
16: }
17:
18: catch (Exception ex)
19:
20: {
21:
22: Console.WriteLine("handled {0}", ex.Message);
23:
24: foreach (var innerEx in taskResult.Exception.InnerExceptions)
25:
26: {
27: Console.WriteLine("inner exception {0}", nnerEx.Message); }
28: }
29:
30: }
取消任務
在此之前，如果從線程池中調用線程，線程是不可能取消。現在，Task類提供了一個方法基於CancellationTokenSource類能夠取消已啟動的任務，取消任務步驟：
1. 異步方法應該除外 “ CancellationToken” 參數類型
2. 創建CancellationTokenSource類實例：
var cts =new CancellationTokenSource();
3. 傳遞CancellationToken，如：
1: Task<string> t1 = GreetingAsync("Bulbul", cts.Token);
4. 長時間運行的方法中，必須調用CancellationToken 的ThrowIfCancellationRequested（）方法。
1: static string Greeting(string name, CancellationToken token){
2:
3: Thread.Sleep(3000);
4:
5: token. ThrowIfCancellationRequested();
6:
7: return string.Format("Hello, {0}", name);
8:
9: }
5. 從等待的Task中捕獲 OperationCanceledException異常。
6. 如果通過調用CancellationTokenSource的實例的方法執行取消操作，將從長時間運行操作中拋出OperationCanceledException異常。也可以設置取消的時間。以下是完整的代碼，一秒后執行取消操作：
1: static void Main(string[] args)
2:
3: {
4: CallWithAsync();
5:
6: Console.ReadKey();
7:
8: }
9:
10:
11: async static void CallWithAsync()
12:
13: {
14:
15: try
16:
17: {
18:
19: CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();
20:
21: source.CancelAfter(TimeSpan.FromSeconds(1));
22:
23: var t1 = await GreetingAsync("Bulbul", source.Token);
24: }
25:
26: catch (OperationCanceledException ex)
27:
28: {
29:
30: Console.WriteLine(ex.Message);
31:
32: }
33:
34: }
35:
36: static Task<string> GreetingAsync(string name, CancellationToken token)
37:
38: {
39:
40: return Task.Run<string>(() =>
41:
42: {
43:
44: return Greeting(name, token);
45:
46: });
47: }
48:
49:
50: static string Greeting(string name, CancellationToken token)
51:
52: {
53:
54: Thread.Sleep(3000);
55: token.ThrowIfCancellationRequested();
56:
57: return string.Format("Hello, {0}", name);
58:
59: }
60:
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並行編程
.NET 4.5及以上版本推出“Parallel類，是線程類的抽象。使用“Parallel”類，我們可以實現並行。並行與線程不同，它使用所有可用的CPU或內核的。以下兩種類型的並行是可行：
- 數據並行：如果我們有數據的大集合，我們希望在每個數據的某些操作進行並行使用，那么就可以使用數據並行。Parallel類有靜態For或ForEach來執行數據並行行，如
1: ParallelLoopResult result =
2: Parallel.For(0, 100, async (int i) =>
3: {
4: Console.WriteLine("{0}, task: {1}, thread: {2}", i,
5: Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
6: await Task.Delay(10);
7:
8: });
For或ForEach方法可以在多線程中和且索引無序可以是無序的。
如果想停止並行For或ForEach方法，可通過ParallelLoopState作為參數，並根據需要打破循環的狀態，跳出循環。
1: ParallelLoopResult result =
2: Parallel.For(0, 100, async (int i, ParallelLoopState pls) =>
3: {
4: Console.WriteLine("{0}, task: {1}, thread: {2}", i,
5: Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
6: await Task.Delay(10);
7: if (i > 5) pls.Break();
8: });
2. 任務並行：如果想要同時運行多個任務的，我們可以通過調用Parallel類的invoke方法使用任務並行Parallel.Invoke方法接收委托行為的數組。例如：
1: static void ParallelInvoke()
2:
3: {
4:
5: Parallel.Invoke(MethodOne, MethodTwo);
6:
7: }
8:
-
結論
本文詳細介紹了.NET Framework 4.5提供的異步編程技術及細節。
原文鏈接：http://www.codeproject.com/Articles/996857/Asynchronous-programming-and-Threading-in-Csharp-N