C#異步的世界(上)
前言
新進(jìn)階的程序員可能對async、await用得比較多，卻對之前的異步了解甚少。本人就是此類，因此打算回顧學(xué)習(xí)下異步的進(jìn)化史。
本文主要是回顧async異步模式之前的異步，下篇文章再來重點分析async異步模式。
APM
APM 異步編程模型，Asynchronous Programming Model
早在C#1的時候就有了APM。雖然不是很熟悉，但是多少還是見過的。就是那些類是BeginXXX和EndXXX的方法，且BeginXXX返回值是IAsyncResult接口。
在正式寫APM示例之前我們先給出一段同步代碼：
//1、同步方法
private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
Debug.WriteLine("【Debug】線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
var request = WebRequest.Create("https://github.com/");//為了更好的演示效果，我們使用網(wǎng)速比較慢的外網(wǎng)
request.GetResponse();//發(fā)送請求
Debug.WriteLine("【Debug】線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
label1.Text = "執(zhí)行完畢！";
}
【說明】為了更好的演示異步效果，這里我們使用winform程序來做示例。（因為winform始終都需要UI線程渲染界面，如果被UI線程占用則會出現(xiàn)“假死”狀態(tài)）
【效果圖】
看圖得知：
我們在執(zhí)行方法的時候頁面出現(xiàn)了“假死”，拖不動了。
我們看到打印結(jié)果，方法調(diào)用前和調(diào)用后線程ID都是9（也就是同一個線程）
下面我們再來演示對應(yīng)的異步方法：（BeginGetResponse、EndGetResponse所謂的APM異步模型）
private void button2_Click(object sender, EventArgs e)
{
//1、APM 異步編程模型，Asynchronous Programming Model
//C#1[基于IAsyncResult接口實現(xiàn)BeginXXX和EndXXX的方法]
Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
var request = WebRequest.Create("https://github.com/");
request.BeginGetResponse(new AsyncCallback(t =>//執(zhí)行完成后的回調(diào)
{
var response = request.EndGetResponse(t);
var stream = response.GetResponseStream();//獲取返回數(shù)據(jù)流
using (StreamReader reader = new StreamReader(stream))
{
StringBuilder sb = new StringBuilder();
while (!reader.EndOfStream)
{
var content = reader.ReadLine();
sb.Append(content);
}
Debug.WriteLine("【Debug】" + sb.ToString().Trim().Substring(0, 100) + "...");//只取返回內(nèi)容的前100個字符
Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
label1.Invoke((Action)(() => { label1.Text = "執(zhí)行完畢！"; }));//這里跨線程訪問UI需要做處理
}
}), null);
Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}
【效果圖】
看圖得知：
- 啟用異步方法并沒有是UI界面卡死
- 異步方法啟動了另外一個ID為12的線程
上面代碼執(zhí)行順序：
前面我們說過，APM的BebinXXX必須返回IAsyncResult接口。那么接下來我們分析IAsyncResult接口：
首先我們看：
確實返回的是IAsyncResult接口。那IAsyncResult到底長的什么樣子？：
并沒有想象中的那么復(fù)雜嘛。我們是否可以嘗試這實現(xiàn)這個接口，然后顯示自己的異步方法呢？
首先定一個類MyWebRequest，然后繼承IAsyncResult：（下面是基本的偽代碼實現(xiàn)）
public class MyWebRequest : IAsyncResult
{
public object AsyncState
{
get { throw new NotImplementedException(); }
}
public WaitHandle AsyncWaitHandle
{
get { throw new NotImplementedException(); }
}
public bool CompletedSynchronously
{
get { throw new NotImplementedException(); }
}
public bool IsCompleted
{
get { throw new NotImplementedException(); }
}
}
這樣肯定是不能用的，起碼也得有個存回調(diào)函數(shù)的屬性吧，下面我們稍微改造下：
然后我們可以自定義APM異步模型了：（成對的Begin、End）
public IAsyncResult MyBeginXX(AsyncCallback callback)
{
var asyncResult = new MyWebRequest(callback, null);
var request = WebRequest.Create("https://github.com/");
new Thread(() => //重新啟用一個線程
{
using (StreamReader sr = new StreamReader(request.GetResponse().GetResponseStream()))
{
var str = sr.ReadToEnd();
asyncResult.SetComplete(str);//設(shè)置異步結(jié)果
}
}).Start();
return asyncResult;//返回一個IAsyncResult
}
public string MyEndXX(IAsyncResult asyncResult)
{
MyWebRequest result = asyncResult as MyWebRequest;
return result.Result;
}
調(diào)用如下:
private void button4_Click(object sender, EventArgs e)
{
Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
MyBeginXX(new AsyncCallback(t =>
{
var result = MyEndXX(t);
Debug.WriteLine("【Debug】" + result.Trim().Substring(0, 100) + "...");
Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}));
Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}
效果圖：
我們看到自己實現(xiàn)的效果基本上和系統(tǒng)提供的差不多。
- 啟用異步方法并沒有是UI界面卡死
- 異步方法啟動了另外一個ID為11的線程
【總結(jié)】
個人覺得APM異步模式就是啟用另外一個線程執(zhí)行耗時任務(wù)，然后通過回調(diào)函數(shù)執(zhí)行后續(xù)操作。
APM還可以通過其他方式獲取值，如：
while (!asyncResult.IsCompleted)//循環(huán)，直到異步執(zhí)行完成 (輪詢方式)
{
Thread.Sleep(100);
}
var stream2 = request.EndGetResponse(asyncResult).GetResponseStream();
或
asyncResult.AsyncWaitHandle.WaitOne();//阻止線程，直到異步完成 （阻塞等待） var stream2 = request.EndGetResponse(asyncResult).GetResponseStream();
補充：如果是普通方法，我們也可以通過委托異步：（BeginInvoke、EndInvoke）
public void MyAction()
{
var func = new Func<string, string>(t =>
{
Thread.Sleep(2000);
return "name:" + t + DateTime.Now.ToString();
});
var asyncResult = func.BeginInvoke("張三", t =>
{
string str = func.EndInvoke(t);
Debug.WriteLine(str);
}, null);
}
EAP
EAP 基于事件的異步模式，Event-based Asynchronous Pattern
此模式在C#2的時候隨之而來。
先來看個EAP的例子：
private void button3_Click(object sender, EventArgs e)
{
Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
BackgroundWorker worker = new BackgroundWorker();
worker.DoWork += new DoWorkEventHandler((s1, s2) =>
{
Thread.Sleep(2000);
Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
});//注冊事件來實現(xiàn)異步
worker.RunWorkerAsync(this);
Debug.WriteLine("【Debug】主線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}
【效果圖】（同樣不會阻塞UI界面）
【特征】
- 通過事件的方式注冊回調(diào)函數(shù)
- 通過 XXXAsync方法來執(zhí)行異步調(diào)用
例子很簡單，但是和APM模式相比，是不是沒有那么清晰透明。為什么可以這樣實現(xiàn)？事件的注冊是在干嘛？為什么執(zhí)行RunWorkerAsync會觸發(fā)注冊的函數(shù)？
感覺自己又想多了...
我們試著反編譯看看源碼：
只想說，這么玩，有意思嗎？
TAP
TAP 基于任務(wù)的異步模式，Task-based Asynchronous Pattern
到目前為止，我們覺得上面的APM、EAP異步模式好用嗎？好像沒有發(fā)現(xiàn)什么問題。再仔細(xì)想想...如果我們有多個異步方法需要按先后順序執(zhí)行，并且需要(在主進(jìn)程)得到所有返回值。
首先定義三個委托：
public Func<string, string> func1()
{
return new Func<string, string>(t =>
{
Thread.Sleep(2000);
return "name:" + t;
});
}
public Func<string, string> func2()
{
return new Func<string, string>(t =>
{
Thread.Sleep(2000);
return "age:" + t;
});
}
public Func<string, string> func3()
{
return new Func<string, string>(t =>
{
Thread.Sleep(2000);
return "sex:" + t;
});
}
然后按照一定順序執(zhí)行：
public void MyAction()
{
string str1 = string.Empty, str2 = string.Empty, str3 = string.Empty;
IAsyncResult asyncResult1 = null, asyncResult2 = null, asyncResult3 = null;
asyncResult1 = func1().BeginInvoke("張三", t =>
{
str1 = func1().EndInvoke(t);
Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
asyncResult2 = func2().BeginInvoke("26", a =>
{
str2 = func2().EndInvoke(a);
Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
asyncResult3 = func3().BeginInvoke("男", s =>
{
str3 = func3().EndInvoke(s);
Debug.WriteLine("【Debug】異步線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}, null);
}, null);
}, null);
asyncResult1.AsyncWaitHandle.WaitOne();
asyncResult2.AsyncWaitHandle.WaitOne();
asyncResult3.AsyncWaitHandle.WaitOne();
Debug.WriteLine(str1 + str2 + str3);
}
除了難看、難讀一點好像也沒什么 。不過真的是這樣嗎？
asyncResult2是null?
由此可見在完成第一個異步操作之前沒有對asyncResult2進(jìn)行賦值，asyncResult2執(zhí)行異步等待的時候報異常。那么如此我們就無法控制三個異步函數(shù)，按照一定順序執(zhí)行完成后再拿到返回值。（理論上還是有其他辦法的，只是會然代碼更加復(fù)雜）
是的，現(xiàn)在該我們的TAP登場了。
只需要調(diào)用Task類的靜態(tài)方法Run，即可輕輕松松使用異步。
獲取返回值：
var task1 = Task<string>.Run(() =>
{
Thread.Sleep(1500);
Console.WriteLine("【Debug】task1 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
return "張三";
});
//其他邏輯
task1.Wait();
var value = task1.Result;//獲取返回值
Console.WriteLine("【Debug】主 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
現(xiàn)在我們處理上面多個異步按序執(zhí)行：
Console.WriteLine("【Debug】主 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
string str1 = string.Empty, str2 = string.Empty, str3 = string.Empty;
var task1 = Task.Run(() =>
{
Thread.Sleep(500);
str1 = "姓名：張三,";
Console.WriteLine("【Debug】task1 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}).ContinueWith(t =>
{
Thread.Sleep(500);
str2 = "年齡：25,";
Console.WriteLine("【Debug】task2 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}).ContinueWith(t =>
{
Thread.Sleep(500);
str3 = "愛好：妹子";
Console.WriteLine("【Debug】task3 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
});
Thread.Sleep(2500);//其他邏輯代碼
task1.Wait();
Debug.WriteLine(str1 + str2 + str3);
Console.WriteLine("【Debug】主 線程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
[效果圖]
我們看到，結(jié)果都得到了，且是異步按序執(zhí)行的。且代碼的邏輯思路非常清晰。如果你感受還不是很大，那么你現(xiàn)象如果是100個異步方法需要異步按序執(zhí)行呢？用APM的異步回調(diào)，那至少也得異步回調(diào)嵌套100次。那代碼的復(fù)雜度可想而知。
延伸思考
- WaitOne完成等待的原理
- 異步為什么會提升性能
- 線程的使用數(shù)量和CPU的使用率有必然的聯(lián)系嗎
問題1：WaitOne完成等待的原理
在此之前，我們先來簡單的了解下多線程信號控制AutoResetEvent類。
var _asyncWaitHandle = new AutoResetEvent(false); _asyncWaitHandle.WaitOne();
此代碼會在WaitOne的地方會一直等待下去。除非有另外一個線程執(zhí)行AutoResetEvent的set方法。
var _asyncWaitHandle = new AutoResetEvent(false); _asyncWaitHandle.Set(); _asyncWaitHandle.WaitOne();
如此，到了WaitOne就可以直接執(zhí)行下去。沒有有任何等待。
現(xiàn)在我們對APM 異步編程模型中的WaitOne等待是不是知道了點什么呢。我們回頭來實現(xiàn)之前自定義異步方法的異步等待。
public class MyWebRequest : IAsyncResult
{
//異步回調(diào)函數(shù)（委托）
private AsyncCallback _asyncCallback;
private AutoResetEvent _asyncWaitHandle;
public MyWebRequest(AsyncCallback asyncCallback, object state)
{
_asyncCallback = asyncCallback;
_asyncWaitHandle = new AutoResetEvent(false);
}
//設(shè)置結(jié)果
public void SetComplete(string result)
{
Result = result;
IsCompleted = true;
_asyncWaitHandle.Set();
if (_asyncCallback != null)
{
_asyncCallback(this);
}
}
//異步請求返回值
public string Result { get; set; }
//獲取用戶定義的對象，它限定或包含關(guān)于異步操作的信息。
public object AsyncState
{
get { throw new NotImplementedException(); }
}
// 獲取用于等待異步操作完成的 System.Threading.WaitHandle。
public WaitHandle AsyncWaitHandle
{
//get { throw new NotImplementedException(); }
get { return _asyncWaitHandle; }
}
//獲取一個值，該值指示異步操作是否同步完成。
public bool CompletedSynchronously
{
get { throw new NotImplementedException(); }
}
//獲取一個值，該值指示異步操作是否已完成。
public bool IsCompleted
{
get;
private set;
}
}
紅色代碼就是新增的異步等待。
【執(zhí)行步驟】
問題2：異步為什么會提升性能
比如同步代碼：
Thread.Sleep(10000);//假設(shè)這是個訪問數(shù)據(jù)庫的方法 Thread.Sleep(10000);//假設(shè)這是個訪問翻墻網(wǎng)站的方法
這個代碼需要20秒。
如果是異步：
var task = Task.Run(() =>
{
Thread.Sleep(10000);//假設(shè)這是個訪問數(shù)據(jù)庫的方法
});
Thread.Sleep(10000);//假設(shè)這是個訪問翻墻網(wǎng)站的方法
task.Wait();
如此就只要10秒了。這樣就節(jié)約了10秒。
如果是：
var task = Task.Run(() =>
{
Thread.Sleep(10000);//假設(shè)這是個訪問數(shù)據(jù)庫的方法
});
task.Wait();
異步執(zhí)行中間沒有耗時的代碼那么這樣的異步將是沒有意思的。
或者：
var task = Task.Run(() =>
{
Thread.Sleep(10000);//假設(shè)這是個訪問數(shù)據(jù)庫的方法
});
task.Wait();
Thread.Sleep(10000);//假設(shè)這是個訪問翻墻網(wǎng)站的方法
把耗時任務(wù)放在異步等待后，那這樣的代碼也是不會有性能提升的。
還有一種情況：
如果是單核CPU進(jìn)行高密集運算操作，那么異步也是沒有意義的。(因為運算是非常耗CPU,而網(wǎng)絡(luò)請求等待不耗CPU)
問題3：線程的使用數(shù)量和CPU的使用率有必然的聯(lián)系嗎
答案是否。
還是拿單核做假設(shè)。
情況1：
long num = 0;
while (true)
{
num += new Random().Next(-100,100);
//Thread.Sleep(100);
}
單核下，我們只啟動一個線程，就可以讓你CPU爆滿。
啟動八次，八進(jìn)程CPU基本爆滿。
情況2：
一千多個線程，而CPU的使用率竟然是0。由此，我們得到了之前的結(jié)論，線程的使用數(shù)量和CPU的使用率沒有必然的聯(lián)系。
雖然如此，但是也不能毫無節(jié)制的開啟線程。因為：
- 開啟一個新的線程的過程是比較耗資源的。（可是使用線程池，來降低開啟新線程所消耗的資源）
- 多線程的切換也是需要時間的。
- 每個線程占用了一定的內(nèi)存保存線程上下文信息。
以上就是C#異步的世界(上)的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C#異步的世界的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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