C#多線程和異步（三）——一些異步編程模式

一、任務並行庫

　　任務並行庫（Task Parallel Library）是BCL中的一個類庫，極大地簡化了並行編程，Parallel常用的方法有For/ForEach/Invoke三個靜態方法。在C#中for/foreach循環使用十分普遍，如果迭代不依賴與上次迭代的結果時，把迭代放在 不同的處理器上並行處理 將很大地提高運行效率，Parallel.For和Parallel.ForEach就是為這個目的而設計的。

　　看一個Parallel.For/ForEach的栗子：

          static void Main(string[] args)
         {
             //Parallel.For  計算0到6的平方
             Parallel.For(1, 6, i =>
             {
                 Console.WriteLine($"{i}的平方是{i*i}");
             });
 
             //Parallel.ForEach 計算每個字符串的長度
            string[] strs = { "We", "hold", "these", "truths" };
            Parallel.ForEach(strs, i => Console.WriteLine($"{i}有{i.Length}個字節"));
            Console.ReadKey();
        }

　　運行結果：

　　如果我們想並行執行多個任務，可以使用 Parallel.Invoke(Action[] actions) 方法，看一個栗子：

        static void Main(string[] args)
        {
            Parallel.Invoke(
                () => { Console.WriteLine($"並行執行任務1，線程Id為{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); },
                () => { Console.WriteLine($"並行執行任務2，線程Id為{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); }
                );
            Console.ReadKey();
        }

執行結果如下：

 

二、計時器(Timer)

　　計時器提供了一種 定期重復運行異步方法 的方式，當計時器到期后，系統從線程池中的線程上開啟一個回調方法，把state作為參數，並開始運行。

Timer最常用的構造函數如下：

Timer(TimeCallback callback,object state,uint dueTime, uint period)

callback是一個返回值為void的委托，state為傳入callback的參數，dueTime為第一次調用前的時間，period為兩次調用的時間間隔

 一個栗子：

 class Program
    {
        int count = 0;
        void Run(object state)
        {
            Console.WriteLine("{0},已經調用了{1}次了", state, ++count);
        }
        static void Main(string[] args)
        {
            Program p = new Program();
            //2000毫秒后開始調用，每次間隔1000毫秒
            Timer timer = new Timer(p.Run, "hello", 2000, 1000);
            Console.WriteLine("Timer start");
            
            Console.ReadLine();
        }
    }

執行結果：

三、委托執行異步

　　委托執行異步是早期執行異步的一種方式，特別是早幾年進行網絡編程時用的比較多。現在我們完全可以使用更優秀的其他異步編程模式去替代它。有時候我們會查看早期的代碼，我們在這里簡單介紹下委托執行異步的方法。使用委托執行異步，使用的是引用方法，如果一個委托對象在調用列表中只有一個方法（這個方法就是引用方法），它就可以異步執行這個方法。委托類有兩個方法 BeginIvoke和EndInvoke 。

　　 BeginInvoke :執行BeginInvoke方法時，會線程池中獲取一個獨立線程來執行引用方法，並立即返回一個實現IAsyncResult接口的對象的（該對象包含了線程池中線程運行異步方法的狀態），調用線程不阻塞，而引用方法在線程池的線程中並行執行。

　　 EndInvoke  : 獲取異步方法調用返回的值，並釋放資源，該方法把異步方法的返回值作為自己的返回值。

委托執行異步編程的3種模式：

　　等待一直到完成（wait-until-done）：在發起了異步方法，原始線程執行到EndInvoke時就中斷並且等異步方法完成完成后再繼續。

　　輪詢（polling）:原始線程定期檢查發起的線程是否完成（通過IAsyncResult.IsCompleted屬性判斷），如果沒有則繼續進行原始線程中的任務。

　　回調（callback）：原始線程一直執行，無需等待或檢查發起的線程是否完成，在發起的線程中的引用方法完成之后，發起線程會調用回調方法，由回調方法在調用EndInvoke之前處理異步方法的結果。

3.1 等待一直到完成模式

　　原始線程執行到EndInvoke，如果異步任務沒有完成就一直等待

    delegate int MyDel(int first,int second);//委托聲明
    class Program
    {
        static int Sum(int x, int y)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            return x + y;
        }
        static void Main(string[] args)
        {
            MyDel del = Sum;
            //調用異步操作（第三個參數是回調函數，第四個參數是額外的值）
            IAsyncResult iar = del.BeginInvoke(3, 5, null, null);
            
            //doSomehing...
            
            //執行EndInvoke,如果引用方法Sum沒有執行完成，主線程就等待其完成
            int result = del.EndInvoke(iar);
            Console.WriteLine(result);
        }
    }

3.2 輪詢模式

　　定期查詢任務是否完成：

    delegate int MyDel(int first,int second);//委托聲明
    class Program
    {
        static int Sum(int x, int y)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            return x + y;
        }
        static void Main(string[] args)
        {
            MyDel del = Sum;
            IAsyncResult iar = del.BeginInvoke(3, 5, null, null);
            
            //通過iar.IsCompleted定期查詢完成狀態
            while (!iar.IsCompleted)//IsCompleted表示調用的異步操作是否完成
            {
                //doSomething
                Thread.Sleep(300);
                Console.WriteLine("no done");
            }
            int result = del.EndInvoke(iar);
            Console.WriteLine(result);
            Console.ReadKey();
        }
    }

3.3 回調模式

原始線程執行委托的BeginInvoke后就不管新線程的事了，委托中的引用方法執行完成后，在回調函數中獲取結果並處理，執行委托的EndInvoke方法

    delegate int MyDel(int first,int second);//委托聲明
    class Program
    {
        static int Sum(int x, int y)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            return x + y;
        }
        
        //回調方法的簽名和返回值類型必須和AsyncCallBack委托類型一致
        //輸入參數為IAsyncResult,返回值是Void類型
       static void CallWhenDone(IAsyncResult iar){
           AsyncResult ar = (AsyncResult)iar;
           MyDel del = (MyDel)ar.AsyncDelegate;
           int result = del.EndInvoke(iar);
           Console.WriteLine("回調函數執行EndInvoke");
           Console.WriteLine("result:{0}", result);
           Console.WriteLine("回調函數完成");
        }     
        
        static void Main(string[] args)
        {
            MyDel del = Sum;
            //執行BeginInvoke方法后原始線程就不用管了，在自定義的回調函數（CallWhenDone）中執行EndInvoke方法
            IAsyncResult iar = del.BeginInvoke(3, 5, CallWhenDone, null);
            Console.WriteLine("開啟新線程，異步任務完成后執行回調函數");
            //doSomething
            Console.WriteLine("回調執行不阻塞原始線程");
            Console.ReadKey();
        }
    }

執行結果：

還有一些其他的異步編程模式如BackgroundWorker等，這里不再過多介紹。

 一點補充(Windbg)

1 cpu占用過高

　　我們使用多線程時有時會遇到cpu占用過高、內存爆滿的情況，快速定位異常線程是多線程開發中必須熟悉的技能。cpu占用過高一般是由死循環造成的，看下邊一個簡單的栗子，Run方法內部有死循環，程序運行后會 占用大量的cpu資源：

namespace MyApp
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Run();
            Run2();
            Console.ReadKey();
        }
　　//死循環，會造成cpu內存占用過高
        static void Run()
        {
            Thread th = new Thread(() =>
            {
                while (true)
                {
                    Console.WriteLine("hello windbg");
                }
            });
            th.Start();
        }
　　//不會占用太高的cpu資源
        static void Run2()
        {
            Thread th = new Thread(() =>
            {
                while (true)
                {
                    Thread.Sleep(1000);
                    Console.WriteLine("hello windbg2");
                }
            });
            th.Start();
        }
    }
}

　　程序運行后cpu資源占用過高，怎么去定位呢？這里采用Windbg簡單演示cpu占用過高的異常定位，下載地址：Windbg下載。安裝完成后，界面如下所示：

1.生成Dump文件

　　這里MyApp生成為x64位的Release版本，點擊MyApp.exe文件運行，打開【任務管理器】，找到MyApp，右鍵選擇【創建轉儲文件】即可生成dump文件。

2.Windbg分析dump文件

　　打開Windbg，選擇【文件】->【Open dump file】->找到上一步生成的dump文件即可。

　　 執行以下命令加載符號和sos庫

.sympath SRV*c:\localsymbols*http://msdl.microsoft.com/download/symbols
.reload
.load C:\Windows\Microsoft.NET\Framework64\v4.0.30319\SOS.DLL

　　通過命令 !threads 查看線程：

 　　死循環會長期占有cpu，通過 !runaway 查看各個線程的運行時間：

 　　我們看到 4eac線程的運行時間最長，通過命令 ~~[4eac] ; !clrstack 查看線程堆棧信息：

　　我們看到異常定位在MyApp的Program類的第24行，查看我們的代碼，找到這個位置，發現這里是一個while(true)死循環，定位結束。

2 內存爆滿

　　內存爆滿也是異常遇到的問題，如大量拼接字符串會占用較大的內存，看下邊的一個栗子，程序代碼如下：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("開始執行..");
            GetBigString();
            Console.ReadKey();
        }
        //大字符串拼接
        static void GetBigString()
        {
            String str = "";
            for (int i = 0; i < 10000000; i++)
            {
                str+=$"hello{i}";
            }
            Console.WriteLine(str);
        }
    }

　    內存爆滿最常見原因是大量創建某個類型的變量，問題定位方法和上邊定位cpu占用高的定位差不多。首先生成dump文件，然后用Windbg打開，加載符號和sos庫，然后執行 !dumpheap –stat 查看各個類型的數量和尺寸，我們看到string類型數量和占用的資源很多：

 

　　通過 !DumpHeap /d -mt 00007ff8878c74c0 查看當前的方法表，如下：

　　點開一個地址，具體內容如下：

　　通過字符串內容是【hello0hello1...】和string類型數量多、尺寸大，我們再去在代碼中查找很容易定位到問題代碼。

小結：Windbg可以查看clr級別內容，在開發中對我們優化代碼和異常定位有不錯的幫助，這里只是簡單介紹Windbg的基本用法，有興趣的小伙伴可以研究下官方教程。