.Net異步編程知多少

1. 引言

最近在學習Abp框架，發現Abp框架的很多Api都提供了同步異步兩種寫法。異步編程說起來，大家可能都會說異步編程性能好。但好在哪里，引入了什么問題，以及如何使用，想必也未必能答的上來。
自己對異步編程也不是很了解，今天就以學習的目的，來梳理下同步異步編程的基礎知識，然后再來介紹下如何使用async/await進行異步編程。下圖是一張大綱，具體可查看腦圖分享鏈接。

2. 同步異步編程

同步編程是對於單線程來說的，就像我們編寫的控制台程序，以main方法為入口，順序執行我們編寫的代碼。
異步編程是對於多線程來說的，通過創建不同線程來實現多個任務的並行執行。

3. 線程

.Net 1.0就發布了System.Threading，其中提供了許多類型（比如Thread、ThreadStart等）可以顯示的創建線程。
說到Thread，我們需要了解以下幾個概念：

3.1. 什么是主線程

每一個Windows進程都恰好包含一個用作程序入口點的主線程。進程的入口點創建的第一個線程被稱為主線程。.Net執行程序（控制台、Windows Form、Wpf等）使用Main()方法作為程序入口點。當調用該方法時，主線程被創建。

3.2. 什么是工作者線程

由主線程創建的線程，可以稱為工作者線程，用來去執行某項具體的任務。

3.3. 什么是前台線程

默認情況下，使用Thread.Start()方法創建的線程都是前台線程。前台線程能阻止應用程序的終結，只有所有的前台線程執行完畢，CLR才能關閉應用程序（即卸載承載的應用程序域）。前台線程也屬於工作者線程。

3.4. 什么是后台線程

后台線程不會影響應用程序的終結，當所有前台線程執行完畢后，后台線程無論是否執行完畢，都會被終結。一般后台線程用來做些無關緊要的任務（比如郵箱每隔一段時間就去檢查下郵件，天氣應用每隔一段時間去更新天氣）。后台線程也屬於工作者線程。

說了這么多概念不如來段代碼：

 //主線程入口 static void Main(string[] args) { Console.WriteLine("主線程開始！"); //創建前台工作線程 Thread t1 = new Thread(Task1); t1.Start(); //創建后台工作線程 Thread t2= new Thread(new ParameterizedThreadStart(Task2)); t2.IsBackground = true;//設置為后台線程 t2.Start("傳參"); } private static void Task1() { Thread.Sleep(1000);//模擬耗時操作，睡眠1s Console.WriteLine("前台線程被調用！"); } private static void Task2(object data) { Thread.Sleep(2000);//模擬耗時操作，睡眠2s Console.WriteLine("后台線程被調用！" + data); }

執行發現，【后台線程被調用】將不會顯示。因為當所有的前台線程執行完畢后，應用程序就關閉了，不會等待所有的后台線程執行完畢，所以不會顯示。

4. ThreadPool（線程池）

線程池是為突然大量爆發的線程設計的，通過有限的幾個固定線程為大量的操作服務，減少了創建和銷毀線程所需的時間，從而提高效率，這也是線程池的主要好處。
ThreadPool適用於並發運行若干個任務且運行時間不長且互不干擾的場景。
還有一點需要注意，通過線程池創建的任務是后台任務。

舉個例子：

//主線程入口 static void Main(string[] args) { Console.WriteLine("主線程開始！"); //創建要執行的任務 WaitCallback workItem = state => Console.WriteLine("當前線程Id為：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); //重復調用10次 for (int i = 0; i < 10; i++) { ThreadPool.QueueUserWorkItem(workItem); } Console.ReadLine(); }

從圖中可以看出，程序並沒有每次執行任務都創建新的線程，而是循環利用線程池中維護的線程。
如果去掉最后一句Consoler.ReadLine()，會發現程序僅輸出【主線程開始！】就直接退出，從而確定ThreadPool創建的線程都是后台線程。

5. System.Threading.Tasks

.Net 4.0引入了System.Threading.Tasks，簡化了我們進行異步編程的方式，而不用直接與線程和線程池打交道。
System.Threading.Tasks中的類型被稱為任務並行庫（TPL）。TPL使用CLR線程池（說明使用TPL創建的線程都是后台線程）自動將應用程序的工作動態分配到可用的CPU中。

5.1. Parallel（數據並行）

數據並行是指使用Parallel.For()或Parallel.ForEach()方法以並行方式對數組或集合中的數據進行迭代。
看怎么用：

ParallelLoopResult result = Parallel.For(0, 10000, i => { Console.WriteLine("{0}, task: {1} , thread: {2}", i, Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); });

5.2. PLINQ（並行LINQ查詢）

為並行運行而設計的LINQ查詢為PLINQ。System.Linq命名空間的ParallelEnumerable中包含了一些擴展方法來支持PINQ查詢。
使用舉例：

int[] modThreeIsZero = (from num in source.AsParallel() where num % 3 == 0 orderby num descending select num).ToArray(); 

5.3. Task

Task，字面義，任務。使用Task類可以輕松地在次線程中調用方法。

static void Main(string[] args) { Console.WriteLine("主線程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); Task.Factory.StartNew(() => Console.WriteLine("Task對應線程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId)); Console.ReadLine(); }

可以看見，使用Task我們不必理會具體線程的創建。
我們也可以使用.NET 4.5引入的Task.Run靜態方法來啟動一個線程。

static void Main(string[] args) { Console.WriteLine("主線程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); Task.Run(() => Console.WriteLine("Task對應線程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId)); Console.ReadLine(); }

Task類提供了Wait()方法，用來等待線程task執行完畢。

5.4. 泛型Task

Task是Task的泛型版本，可以接收一個返回值。

static void Main(string[] args) { Console.WriteLine("主線程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); Task<string> task = Task.Run(() => { return Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString(); }); Console.WriteLine("創建Task對應的線程ID：" + task.Result); Console.ReadLine(); }

Task提供了很多方法，幫助我們進行異步任務。了解更多，可參考MSDN。

5.5. async/await 特性

C# async關鍵字用來指定某個方法、Lambda表達式或匿名方法自動以異步的方式來調用。

咱們先來看一個具體的示例吧。

private static void Main(string[] args) { Console.WriteLine("主線程啟動，當前線程為：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); var task = GetLengthAsync(); Console.WriteLine("回到主線程，當前線程為：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); Console.WriteLine("線程[" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + "]睡眠5s:"); Thread.Sleep(5000); //將主線程睡眠5s var timer = new Stopwatch(); timer.Start(); //開始計算時間 Console.WriteLine("task的返回值是" + task.Result); timer.Stop(); //結束點，另外stopwatch還有Reset方法，可以重置。 Console.WriteLine("等待了：" + timer.Elapsed.TotalSeconds + "秒"); //顯示時間 Console.WriteLine("主線程結束，當前線程為：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); } private static async Task<int> GetLengthAsync() { Console.WriteLine("GetLengthAsync()開始執行，當前線程為：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); var str = await GetStringAsync(); Console.WriteLine("GetLengthAsync()執行完畢，當前線程為：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); return str.Length; } private static Task<string> GetStringAsync() { Console.WriteLine("GetStringAsync()開始執行，當前線程為：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); return Task.Run(() => { Console.WriteLine("異步任務開始執行，當前線程為：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); Console.WriteLine("線程[" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + "]睡眠10s:"); Thread.Sleep(10000); //將異步任務線程睡眠10s Console.WriteLine("GetStringAsync()執行完畢，當前線程為：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); return "GetStringAsync()執行完畢"; }); }

是不是對執行結果感到驚訝？驚訝是對的，且聽我們下面娓娓道來。

1. 被async標記的方法，意味着可以在方法內部使用await，這樣該方法將會在一個await point（等待點）處被掛起，並且在等待的實例完成后該方法被異步喚醒。【注意：await point（等待點）處被掛起，並不是說在代碼中使用await SomeMethodAsync()處就掛起，而是在進入SomeMethodAsync()真正執行異步任務時被掛起，切記，切記！！！】
2. async標記的方法，返回值類型為void、Task、Task<T>。
3. 被async標記的方法，方法的執行結果或者任何異常都將直接反映在返回類型中。
4. 不是被async標記的方法，就會被異步執行，剛開始都是同步開始執行。換句話說，方法被async標記不會影響方法是同步還是異步的方式完成運行。事實上，async使得方法能被分解成幾個部分，一部分同步運行，一些部分可以異步的運行（而這些部分正是使用await顯示編碼的部分），從而使得該方法可以異步的完成。
5. await關鍵字告訴編譯器在async標記的方法中插入一個可能的掛起/喚醒點。 邏輯上，這意味着當你寫await someMethod();時，編譯器將生成代碼來檢查someMethod()代表的操作是否已經完成。如果已經完成，則從await標記的喚醒點處繼續開始同步執行；如果沒有完成，將為等待的someMethod()生成一個continue委托，當someMethod()代表的操作完成的時候調用continue委托。這個continue委托將控制權重新返回到async方法對應的await喚醒點處。
   返回到await喚醒點處后，不管等待的someMethod()是否已經經完成，任何結果都可從Task中提取，或者如果someMethod()操作失敗，發生的任何異常隨Task一起返回或返回給SynchronizationContext。

從第4點可以解釋為什么上面的demo當調用GetLengthAsync();方法時，輸出GetLengthAsync()開始執行，當前線程為：1。
從第1點可以解釋調用await GetStringAsync();后，為什么程序會繼續同步執行輸出GetStringAsync()開始執行，當前線程為：1。
當執行到Task.Run的時候，就回到了主線程，從而輸出回到主線程，當前線程為：1，這說明Task.Run就是我們所說的await point（等待點）。緊接着代碼將主線程睡眠5s，這時異步任務可不會歇啊，所以會輸出異步任務開始執行，當前線程為：3。
緊接着為了模擬異步任務耗時，我們在異步任務中調用Thread.Sleep(10000)將異步任務睡眠10s。
同樣異步任務睡眠的時候，不會影響到我們的同步任務，主線程睡眠5s后，要去輸出task.Result，這時異步任務還沒有執行完畢，所以主線程會等待，直到結果返回，當異步任務完成后會輸出GetStringAsync()執行完畢，當前線程為：3。
從第5點可以解釋，await等待異步任務完成后，GetLengthAsync()方法被異步喚醒，從而異步執行后續代碼而輸出GetLengthAsync()執行完畢，當前線程為：3。
代碼中我們用StopWatch來計算大致等待了多久，從結果看等待了5.0004334秒，符合預期（異步線程睡眠了10s，主線程睡眠了5s，兩個線程是並行運行的，所以大致耗時應該為10s - 5s = 5s）。

那為什么執行到task.Result時，主線程會等待呢，你可能會說異步任務沒有完成。
那異步任務沒有完成不應該影響主線程的繼續執行啊，那主線程究竟是被誰掛起進行等待的呢？
首先Task和Task是awaitable的，這里就要理解下awaitable這個概念，詳參await anything，這里就不再贅述（講清楚估計得另開一篇）。
這里就暫且把awaitable理解為可等待的，就是說如果這個task沒執行完畢，在去取結果的時候它就會等待。

我們直接來看一下看下源碼吧：

從代碼中我們可以清楚看見，在去取task的返回值時，程序回去判斷對應的任務是否執行完畢（IsCompleted），若沒有則繼續等待，也就是在InternalWait方法中執行等待，而InternalWait方法中指定等待的方式為TaskWaitBehavior.Synchronous也就是同步等待，所以就會掛起主線程。
其實task.Wait()也是類似的邏輯，會同步阻塞主線程去等待異步線程執行完畢。
那我們就可以這樣理解task.Result，task.Result相當於執行task.Wait();后再去取值task.Result;。

6. 總結

本文主要梳理了以下幾點：

1. 默認創建的Thread是前台線程，創建的Task為后台線程。
2. ThreadPool創建的線程都是后台線程。
3. 任務並行庫（TPL）使用的是線程池技術。
4. 調用async標記的方法，剛開始是同步執行的，只有當執行到await標記的方法中的異步任務時，才會掛起。

異步編程的水很深，標題起大了，有很多知識點沒有講全講到。
文章中所寫是個人理解，難免有紕漏之處，請大家以懷疑的精神閱讀此文，也懇請大家多多指教！！！

參考自：
Async/Await FAQ
await anything
Async/Await異步編程中的最佳做法