這篇文章包含以下內(nèi)容

• 異步基礎(chǔ)
• 基于任務(wù)的異步模式
• 部分 API 介紹

異步基礎(chǔ)

所謂異步蠢涝，對(duì)于計(jì)算密集型的任務(wù)派阱，是以線程為基礎(chǔ)的，而在具體使用中揩环，使用線程池里面的線程還是新建獨(dú)立線程搔弄，取決于具體的任務(wù)量；對(duì)于 I/O 密集型任務(wù)的異步丰滑，是以 Windows 事件為基礎(chǔ)的

.NET 提供了執(zhí)行異步操作的三種方式：

• 異步編程模型 (APM) 模式（也稱 IAsyncResult 模式）：在此模式中異步操作需要 Begin 和 End 方法（比如用于異步寫入操作的 BeginWrite 和 EndWrite）顾犹。不建議新的開發(fā)使用此模式
• 基于事件的異步模式 (EAP)：這種模式需要一個(gè)或多個(gè)事件、事件處理程序委托類型和 EventArg 派生類型褒墨，以便在工作完成時(shí)觸發(fā)炫刷。不建議新的開發(fā)使用這種模式
• 基于任務(wù)的異步模式 (TAP)：它是在 .NET 4 中引入的。C# 中的 async 和 await 關(guān)鍵字為 TAP 提供了語(yǔ)言支持郁妈。這是推薦使用方法

由于異步編程模型 (APM) 模式與基于事件的異步模式 (EAP)在新的開發(fā)中已經(jīng)不推薦使用浑玛。故在此處我們就不介紹了，以下僅介紹基于任務(wù)的異步模式（TAP）

基于任務(wù)的異步模式（TAP）

任務(wù)是工作的異步抽象噩咪，而不是線程的抽象锄奢。即當(dāng)一個(gè)方法返回了 Task 或 Task<T>，我們不應(yīng)該認(rèn)為它一定創(chuàng)建了一個(gè)線程剧腻，而是開始了一個(gè)任務(wù)拘央。這對(duì)于我們理解 TAP 是非常重要的。

TAP 以 Task 和 Task<T> 為基礎(chǔ)书在。它把具體的任務(wù)抽象成了統(tǒng)一的使用方式灰伟。這樣，不論是計(jì)算密集型任務(wù)，還是 I/O 密集型任務(wù)栏账，我們都可以使用 async 帖族、await 關(guān)鍵字來(lái)構(gòu)建更加簡(jiǎn)潔易懂的代碼

任務(wù)分為 計(jì)算密集型任務(wù)和 I/O密集型任務(wù)任務(wù)兩種

• 計(jì)算密集型任務(wù)：當(dāng)我們 await 一個(gè)操作時(shí)，該操作會(huì)通過 Task.Run 方法啟動(dòng)一個(gè)線程來(lái)處理相關(guān)的工作
  工作量大的任務(wù)挡爵，通過為 Task.Factory.StartNew 指定 TaskCreateOptions.LongRunning選項(xiàng) 可以使新的任務(wù)運(yùn)行于獨(dú)立的線程上竖般，而非使用線程池里面的線程
• I/O 密集型任務(wù)：當(dāng)我們 await 一個(gè)操作時(shí)，它將返回 一個(gè) Task 或 Task<T>茶鹃。
  值得注意的是涣雕，這兒并不會(huì)啟動(dòng)一個(gè)線程

雖然計(jì)算密集型任務(wù)和 I/O 密集型任務(wù)在使用方式上沒有多大的區(qū)別，但其底層實(shí)現(xiàn)卻大不相同闭翩。

那我們?nèi)绾螀^(qū)分 I/O 密集型任務(wù)和計(jì)算密集型任務(wù)呢挣郭？

比如網(wǎng)絡(luò)操作，需要從服務(wù)器下載我們所需的資源疗韵，它就是屬于 I/O 密集型的操作兑障；比如我們通過排序算法對(duì)一個(gè)數(shù)組排序時(shí)，這時(shí)的任務(wù)就是計(jì)算密集型任務(wù)蕉汪。

簡(jiǎn)而言之流译，判斷一個(gè)任務(wù)是計(jì)算型還是 I/O 型，就看它占用的 CPU 資源多者疤，還是 I/O 資源多就可以了福澡。

對(duì)于I/O密集型的應(yīng)用，它們是以 Windows 事件為基礎(chǔ)的宛渐，因此不需要新建一個(gè)線程或使用線程池里面的線程來(lái)執(zhí)行具體工作。但我們?nèi)匀豢梢允褂?async眯搭、await 來(lái)進(jìn)行異步處理窥翩，這得益于 .Net 為我們提供了一個(gè)統(tǒng)一的使用方式： Task 或 Task<T>

舉個(gè)例子，對(duì)于 I/O 密集型任務(wù)鳞仙，使用方式如下

// 這是在 .NET 4.5 及以后推薦的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求方式
HttpClient httpClient = new HttpClient();
var result = await httpClient.GetStringAsync("https://www.baidu.com");

// 而不是以下這種方式（雖然得到的結(jié)果相同寇蚊，但性能卻不一樣，并且在.NET 4.5及以后都不推薦使用）
WebClient webClient = new WebClient();
var resultStr = Task.Run(() => {
    return webClient.DownloadString("https://www.baidu.com");
});

對(duì)于計(jì)算密集型應(yīng)用棍好，使用方式如下

Random random = new Random();
List<int> data = new List<int>();
for (int i = 0; i< 50000000; i++) {
    data.Add(random.Next(0, 100000));
}
// 這兒會(huì)啟動(dòng)一個(gè)線程仗岸，來(lái)執(zhí)行排序這種計(jì)算型任務(wù)
await Task.Run(() => {
    data.Sort();
});

異步方法返回 Task 或 Task<TResult>，具體取決于相應(yīng)方法返回的是 void 還是類型 TResult借笙。如果返回的是 void扒怖，則使用 Task，如果是 TResult业稼，則使用 Task<TResult>

不應(yīng)該使用 out 或 ref 的方式來(lái)返回值盗痒，因?yàn)檫@可能產(chǎn)生意料之外的結(jié)果。因此低散，我們應(yīng)該盡可能的使用 Task<TResult> 中的 TResult 來(lái)組合多個(gè)返回值

另外俯邓，await不能用在返回值為 void 的方法上骡楼，否則會(huì)有編譯錯(cuò)誤

針對(duì) TAP 的編碼建議

• async 與 await 應(yīng)該搭配使用。即它們要么都出現(xiàn)稽鞭，要么都不出現(xiàn)
• 僅在異步方法（即被 async 修飾的方法）中使用 await鸟整。否則會(huì)有編譯器錯(cuò)誤
• 如果一個(gè)方法內(nèi)部，沒有使用 await朦蕴，則該方法不應(yīng)該使用 async 來(lái)修飾篮条，否則會(huì)有編譯器警告
• 如果一個(gè)方法為異步方法（被 async 修飾），則它應(yīng)該以 Async 結(jié)尾
• 我們應(yīng)該使用非阻塞的方式來(lái)編寫等待任務(wù)結(jié)果的代碼：
  使用 await梦重、await Task.WhenAny兑燥、 await Task.WhenAll、await Task.Delay 去等待后臺(tái)任務(wù)的結(jié)果琴拧。
  而不是 Task.Wait 降瞳、Task.Result、Task.WaitAny蚓胸、Task.WaitAll挣饥、Thread.Sleep，因?yàn)檫@些方式會(huì)阻塞當(dāng)前線程沛膳。
  
  即如果需要等待或暫停扔枫，我們應(yīng)該使用 .NET 4.5 提供的 await 關(guān)鍵字，而不是使用 .NET 4.5 之前的版本提供的方式
• 如果是計(jì)算密集型任務(wù)锹安，則應(yīng)該使用 Task.Run 來(lái)執(zhí)行任務(wù)短荐；如果是耗時(shí)比較長(zhǎng)的任務(wù)，則應(yīng)該使用 Task.Factory.StartNew 并指定 TaskCreateOptions.LongRunning 選項(xiàng)來(lái)執(zhí)行任務(wù)
• 如果是 I/O 密集型任務(wù)叹哭，不應(yīng)該使用 Task.Run忍宋。
  因?yàn)?Task.Run 會(huì)在一個(gè)單獨(dú)的線程中運(yùn)行（線程池或者新建一個(gè)獨(dú)立線程），而對(duì)于 I/O 任務(wù)來(lái)說风罩，啟用一個(gè)線程意義不大糠排，反而會(huì)浪費(fèi)線程資源

創(chuàng)建任務(wù)

要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)計(jì)算密集型任務(wù)，在 .NET 4.5 及以后超升，可采用 Task.Run 的方式來(lái)快速創(chuàng)建入宦；如果需要對(duì)任務(wù)有更多的控制權(quán)，則可以使用 .NET 4.0 提供的 Task.Factory.StartNew 來(lái)創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)室琢。
對(duì)于 I/O 密集型任務(wù)乾闰，我們可以通過將 await 作用于對(duì)應(yīng)的 I/O 操作方法上即可

取消任務(wù)

在 TAP 中，任務(wù)是可以取消的盈滴。通過 CancellationTokenSource 來(lái)管理汹忠。需要支持取消的任務(wù)，必須持有 CancellationTokenSource.Token （令牌），以便該任務(wù)可以通過 CancellationTokenSource.Cancel() 的方式來(lái)取消宽菜。

使用 CancellationTokenSource 來(lái)取消任務(wù)谣膳，有以下優(yōu)點(diǎn)

• 可以將令牌傳遞給多個(gè)任務(wù)，這樣可以同時(shí)取消多個(gè)任務(wù)铅乡。類似于一個(gè)老師继谚，可以管理多個(gè)學(xué)生。
• 可以通過 CancellationTokenSource.Token.Register 來(lái)監(jiān)聽任務(wù)的取消阵幸。這樣我們可以在任務(wù)取消之后做一些其他的工作

任務(wù)處理進(jìn)度

我們可以通過 IProgress<T> 接口監(jiān)聽進(jìn)度花履，如下所示

public Task ReadAsync(byte[] buffer, int offset, int count, IProgress<long> progress)

在 .NET 4.5 提供單個(gè) IProgress<T> 實(shí)現(xiàn)：Progress<T>。Progress<T> 類的聲明方式如下：

// Progress<T> 類的聲明
public class Progress<T> : IProgress<T> {  
    public Progress();  
    public Progress(Action<T> handler);  
    protected virtual void OnReport(T value);  
    public event EventHandler<T> ProgressChanged;  
}   

舉個(gè)例子挚赊，假設(shè)我們需要獲取并顯示下載進(jìn)度诡壁，則可以按以下方式書寫

private async void btnDownload_Click(object sender, RoutedEventArgs e) {  
    btnDownload.IsEnabled = false;  
    try {  
        txtResult.Text = await DownloadStringAsync(txtUrl.Text, new Progress<int>(p => pbDownloadProgress.Value = p));  
    }  
    finally { 
        btnDownload.IsEnabled = true; 
    }  
} 

部分 API 介紹

Task.WhenAll

此方法可以幫助我們同時(shí)等待多個(gè)任務(wù)，所有任務(wù)結(jié)束（正常結(jié)束荠割、異常結(jié)束）后返回

這里需要注意的是妹卿，如果單個(gè)任務(wù)有異常產(chǎn)生，這些異常會(huì)合并到 AggregateException 中蔑鹦。我們可以通過 AggregateException.InnerExceptions 來(lái)得到異常列表夺克；也可以使用 AggregateException.Handle 來(lái)對(duì)每個(gè)異常進(jìn)行處理，示例代碼如下

public static async void EmailAsync() {
    List<string> addrs = new List<string>();
    IEnumerable<Task> asyncOps = addrs.Select(addr => SendMailAsync(addr));
    try {
        await Task.WhenAll(asyncOps);
    } catch (AggregateException ex) {
        // 可以通過 InnerExceptions 來(lái)得到內(nèi)部返回的異常
        var exceptions = ex.InnerExceptions;
        // 也可以使用 Handle 對(duì)每個(gè)異常進(jìn)行處理
        ex.Handle(innerEx => {
            // 此處的演示僅僅為了說明 ex.Handle 可以對(duì)異常進(jìn)行單獨(dú)處理
            // 實(shí)際項(xiàng)目中不一定會(huì)拋出此異常

            if (innerEx is OperationCanceledException oce) {
                // 對(duì) OperationCanceledException 進(jìn)行單獨(dú)的處理
                return true;
            } else if (innerEx is UnauthorizedAccessException uae) {
                // 對(duì) UnauthorizedAccessException 進(jìn)行單獨(dú)處理
                return true;
            }
            return false;
        });
    }
}

但嚎朽，如果我們需要對(duì)每個(gè)任務(wù)進(jìn)行更加詳細(xì)的管理铺纽，則可以使用以下方式來(lái)處理

public static async void EmailAsync() {
    List<string> addrs = new List<string>();
    IEnumerable<Task> asyncOps = addrs.Select(addr => SendMailAsync(addr));
    try {
        await Task.WhenAll(asyncOps);
    } catch (AggregateException ex) {
        // 此處可以針對(duì)每個(gè)任務(wù)進(jìn)行更加具體的管理
        foreach (Task<string> task in asyncOps) {
            if (task.IsCanceled) {
            }else if (task.IsFaulted) {
            }else if (task.IsCompleted) {
            }
        }
    }
}

這樣，就應(yīng)該基本上足夠應(yīng)對(duì)我們工作中的大部分的異常處理了

Task.WhenAny

與 Task.WhenAll 不同哟忍，Task.WhenAny 返回的是已完成的任務(wù)（可能只是所有任務(wù)中的幾個(gè)任務(wù)）

舉個(gè)例子狡门，比如我們開發(fā)了一個(gè)圖片類App。我們可能需要在打開這個(gè)頁(yè)面時(shí)，同時(shí)下載并展示多張圖片。但我們希望無(wú)論是哪一張圖片，只要下載完成，就展示出來(lái)吆倦，而不是所有的圖片都下載完了之后再展示。示例代碼如下

List<Task<Bitmap>> imageTasks = urls.Select(imgUrl => GetBitmapAsync(imgUrl)).ToList();
// 如果我們需要對(duì)圖片做一些處理（比如灰度化）米愿，可以使用以下代碼
// List<Task<Bitmap>> imageTasks = urls.Select(imgUrl => GetBitmapAsync(imgUrl).ContinueWith(task => ConvertToGray(task.Result)).ToList();
while(imageTasks.Count > 0) {  
    try {  
        Task<Bitmap> imageTask = await Task.WhenAny(imageTasks);
        // 移除已經(jīng)下載完成的任務(wù)
        imageTasks.Remove(imageTask);  
        // 同時(shí)將該任務(wù)的圖片威始，在UI上呈現(xiàn)出來(lái)
        Bitmap image = await imageTask;  
        panel.AddImage(image);  
    } catch{}  
}

Task.Delay

此方法用于暫停當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行，在指定時(shí)間之后繼續(xù)運(yùn)行肤寝。

它可以與 Task.WhenAny 和 Task.WhenAll 結(jié)合当辐，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的超時(shí)，如下

public async void btnDownload_Click(object sender, EventArgs e) {  
    btnDownload.Enabled = false;  
    try {  
        Task<Bitmap> download = GetBitmapAsync(url); 
        // 以下的這行代碼表示鲤看，如果在 3s 之內(nèi)沒有下載完成缘揪，則認(rèn)為超時(shí)
        if (download == await Task.WhenAny(download, Task.Delay(3000))) {  
            Bitmap bmp = await download;  
            pictureBox.Image = bmp;  
            status.Text = "Downloaded";  
        } else {  
            pictureBox.Image = null;  
            status.Text = "Timed out";  
            var ignored = download.ContinueWith(t => Trace("Task finally completed"));
        }  
    } finally { 
      btnDownload.Enabled = true; 
    }  
}  

通過這種方式，也可以監(jiān)聽使用 Task.WhenAll 時(shí)多個(gè)任務(wù)的超時(shí)，如下

Task<Bitmap[]> downloads = Task.WhenAll(from url in urls select GetBitmapAsync(url));  
if (downloads == await Task.WhenAny(downloads, Task.Delay(3000))) {  
    foreach(var bmp in downloads) 
        panel.AddImage(bmp);  
    status.Text = "Downloaded";  
} else {
    status.Text = "Timed out";  
    downloads.ContinueWith(t => Log(t));  
}

另外找筝，提供兩個(gè)有用的函數(shù)蹈垢，以方便我們?cè)陧?xiàng)目中使用

RetryOnFail

定義如下所示

// 如果下載資源失敗后，我們希望重新下載時(shí)可以使用此方法
// 我們可以指定失敗之后袖裕，間隔多長(zhǎng)時(shí)間才重試曹抬。
// 也可以將 retryWhen 指定為 null，以便在失敗之后立即重試
public static async Task<T> RetryOnFail<T>(Func<Task<T>> function, int maxTries, Func<Task> retryWhen) {
    for (int i = 0; i < maxTries; i++) {
        try {
            return await function().ConfigureAwait(false);
        } catch {
            if (i == maxTries - 1) throw;
        }
        if (retryWhen != null)
            await retryWhen().ConfigureAwait(false);
    }
    return default(T);
}

使用方式如下急鳄，這在失敗之后谤民，暫停 1s，然后再重試

string pageContents = await RetryOnFail(() => DownloadStringAsync(url), 3, () => Task.Delay(1000)); 

或者如下疾宏，這將在失敗之后立即重試

string pageContents = await RetryOnFail(() => DownloadStringAsync(url), 3, null); 

NeedOnlyOne

定義如下

public static async Task<T> NeedOnlyOne<T>(params Func<CancellationToken, Task<T>>[] functions) {
    var cts = new CancellationTokenSource();
    var tasks = functions.Select(func => func(cts.Token));
    var completed = await Task.WhenAny(tasks).ConfigureAwait(false);
    cts.Cancel();
    foreach (var task in tasks) {
        var ignored = task.ContinueWith(t => Trace.WriteLine(t), TaskContinuationOptions.OnlyOnFaulted);
    }
    return await completed;
}

對(duì)于前面我們提到的下載電影的例子：獲取到速度最快的渠道之后张足，立即取消其他的任務(wù)。現(xiàn)在我們可以這樣做

var line = await NeedOnlyOne(
            token => DetectSpeedAsync("line_1", movieName, cts.Token),
            token => DetectSpeedAsync("line_2", movieName, cts.Token),
            token => DetectSpeedAsync("line_3", movieName, cts.Token)
            );

以上提供的這兩個(gè)方法坎藐，在實(shí)際項(xiàng)目中會(huì)非常有用为牍，在需要時(shí)可以將它們用起來(lái)。當(dāng)然顺饮，通過對(duì) Task 的靈活運(yùn)用吵聪，可以組合出更多方便的方法出來(lái)。在具體項(xiàng)目中多多使用即可

關(guān)于 Task 的一些基本的用法就介紹到這兒了

至此兼雄，本節(jié)內(nèi)容講解完畢吟逝。下一篇文章我們將講解 .NET 中的并行編程。歡迎關(guān)注公眾號(hào)【嘿嘿的學(xué)習(xí)日記】赦肋，所有的文章块攒，都會(huì)在公眾號(hào)首發(fā)，Thank you~

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