C#多線程系列之任務(wù)基礎(chǔ)(一)

更新時間：2022年02月14日 10:08:12 作者：癡者工良

本文詳細(xì)講解了C#多線程的任務(wù)基礎(chǔ)，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)。對大家的學(xué)習(xí)或工作具有一定的參考借鑒價值，需要的朋友可以參考下

多線程編程

多線程編程模式

.NET 中，有三種異步編程模式，分別是基于任務(wù)的異步模式(TAP)、基于事件的異步模式(EAP)、異步編程模式(APM)。

基于任務(wù)的異步模式 (TAP) ：.NET 推薦使用的異步編程方法，該模式使用單一方法表示異步操作的開始和完成。包括我們常用的 async 、await 關(guān)鍵字，屬于該模式的支持。
基于事件的異步模式 (EAP) ：是提供異步行為的基于事件的舊模型。《C#多線程(12)：線程池》中提到過此模式，.NET Core 已經(jīng)不支持。
異步編程模型 (APM) 模式：也稱為 IAsyncResult 模式，，這是使用 IAsyncResult 接口提供異步行為的舊模型。.NET Core 也不支持，請參考《C#多線程(12)：線程池》。

前面，我們學(xué)習(xí)了三部分的內(nèi)容：

線程基礎(chǔ)：如何創(chuàng)建線程、獲取線程信息以及等待線程完成任務(wù)；
線程同步：探究各種方式實現(xiàn)進(jìn)程和線程同步，以及線程等待；
線程池：線程池的優(yōu)點和使用方法，基于任務(wù)的操作；

這篇開始探究任務(wù)和異步，而任務(wù)和異步是十分復(fù)雜的，內(nèi)容錯綜復(fù)雜，筆者可能講不好。。。

探究優(yōu)點

我們現(xiàn)在來探究一下多線程編程的復(fù)雜性。

傳遞數(shù)據(jù)和返回結(jié)果

傳遞數(shù)據(jù)倒是沒啥問題，只是難以獲取到線程的返回值，處理線程的異常也需要技巧。

監(jiān)控線程的狀態(tài)

新建新的線程后，如果需要確定新線程在何時完成，需要自旋或阻塞等方式等待。

線程安全

設(shè)計時要考慮如果避免死鎖、合理使用各種同步鎖，要考慮原子操作，同步信號的處理需要技巧。

性能

玩多線程，最大需求就是提升性能，但是多線程中有很多坑，使用不當(dāng)反而影響性能。

[以上總結(jié)可參考《C# 7.0本質(zhì)論》19.3節(jié)，《C# 7.0核心技術(shù)指南》14.3 節(jié)]

我們通過使用線程池，可以解決上面的部分問題，但是還有更加好的選擇，就是 Task(任務(wù))。另外 Task 也是異步編程的基礎(chǔ)類型，后面很多內(nèi)容要圍繞 Task 展開。

原理的東西，還是多參考微軟官方文檔和書籍，筆者講得不一定準(zhǔn)確，而且不會深入說明這些。

任務(wù)操作

任務(wù)(Task)實在太多 API 了，也有各種騷操作，要講清楚實在不容易，我們要慢慢來，一點點進(jìn)步，一點點深入，多寫代碼測試。

下面與筆者一起，一步步熟悉、摸索 Task 的 API。

兩種創(chuàng)建任務(wù)的方式

通過其構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建一個任務(wù)，其構(gòu)造函數(shù)定義為：

public Task (Action action);

其示例如下：

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            // 定義兩個任務(wù)
            Task task1 = new Task(()=> 
            {
                Console.WriteLine("① 開始執(zhí)行");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 執(zhí)行中");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 執(zhí)行即將結(jié)束");
            });

            Task task2 = new Task(MyTask);
            // 開始任務(wù)
            task1.Start();
            task2.Start();

            Console.ReadKey();
        }

        private static void MyTask()
        {
            Console.WriteLine("② 開始執(zhí)行");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("② 執(zhí)行中");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("② 執(zhí)行即將結(jié)束");
        }
    }

.Start() 方法用于啟動一個任務(wù)。微軟文檔解釋：啟動 Task，并將它安排到當(dāng)前的 TaskScheduler 中執(zhí)行。

TaskScheduler 這個東西，我們后面講，別急。

另一種方式則使用 Task.Factory，此屬性用于創(chuàng)建和配置 Task 和 Task<TResult> 實例的工廠方法。

使用https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.tasks.taskfactory.startnew?view=netcore-3.1#--可以添加任務(wù)。

當(dāng)需要對長時間運行、計算限制的任務(wù)(計算密集型)進(jìn)行精細(xì)控制時才使用 StartNew() 方法；
官方推薦使用 Task.Run 方法啟動計算限制任務(wù)。
Task.Factory.StartNew() 可以實現(xiàn)比 Task.Run() 更細(xì)粒度的控制。

Task.Factory.StartNew() 的重載方法是真的多，你可以參考： https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.tasks.taskfactory.startnew?view=netcore-3.1#--

這里我們使用兩個重載方法編寫示例：

public Task StartNew(Action action);

public Task StartNew(Action action, TaskCreationOptions creationOptions);

代碼示例如下：

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            // 重載方法 1
            Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("① 開始執(zhí)行");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 執(zhí)行中");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 執(zhí)行即將結(jié)束");
            });

            // 重載方法 1
            Task.Factory.StartNew(MyTask);

            // 重載方法 2
            Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("① 開始執(zhí)行");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 執(zhí)行中");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 執(zhí)行即將結(jié)束");
            },TaskCreationOptions.LongRunning);

            Console.ReadKey();
        }

        // public delegate void TimerCallback(object? state);
        private static void MyTask()
        {
            Console.WriteLine("② 開始執(zhí)行");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("② 執(zhí)行中");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("② 執(zhí)行即將結(jié)束");
        }
    }

通過 Task.Factory.StartNew() 方法添加的任務(wù)，會進(jìn)入線程池任務(wù)隊列然后自動執(zhí)行，不需要手動啟動。

TaskCreationOptions.LongRunning 是控制任務(wù)創(chuàng)建特性的枚舉，后面講。

Task.Run() 創(chuàng)建任務(wù)

Task.Run() 創(chuàng)建任務(wù)，跟 Task.Factory.StartNew() 差不多，當(dāng)然 Task.Run() 還有很多重載方法和騷操作，我們后面再來學(xué)。

Task.Run() 創(chuàng)建任務(wù)示例代碼如下：

        static void Main()
        {
            Task.Run(() =>
            {
                Console.WriteLine("① 開始執(zhí)行");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 執(zhí)行中");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 執(zhí)行即將結(jié)束");
            });
            Console.ReadKey();
        }

取消任務(wù)

取消任務(wù)，《C#多線程(12)：線程池》中說過一次，不過控制太自由，全靠任務(wù)本身自覺判斷是否取消。

這里我們通過 Task 來實現(xiàn)任務(wù)的取消，其取消是實時的、自動的，并且不需要手工控制。

其構(gòu)造函數(shù)如下：

public Task StartNew(Action action, CancellationToken cancellationToken);

代碼示例如下：

按下回車鍵的時候記得切換字母模式。

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            Console.WriteLine("任務(wù)開始啟動，按下任意鍵，取消執(zhí)行任務(wù)");
            CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
            Task.Factory.StartNew(MyTask, cts.Token);

            Console.ReadKey();

            cts.Cancel();       // 取消任務(wù)
            Console.ReadKey();
        }

        // public delegate void TimerCallback(object? state);
        private static void MyTask()
        {
            Console.WriteLine(" 開始執(zhí)行");
            int i = 0;
            while (true)
            {
                Console.WriteLine($" 第{i}次任務(wù)");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("     執(zhí)行中");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("     執(zhí)行結(jié)束");
                i++;
            }
        }
    }

父子任務(wù)

前面創(chuàng)建任務(wù)的時候，我們碰到了 TaskCreationOptions.LongRunning 這個枚舉類型，這個枚舉用于控制任務(wù)的創(chuàng)建以及設(shè)定任務(wù)的行為。

其枚舉如下：

枚舉	值	說明
AttachedToParent	4	指定將任務(wù)附加到任務(wù)層次結(jié)構(gòu)中的某個父級。
DenyChildAttach	8	指定任何嘗試作為附加的子任務(wù)執(zhí)行的子任務(wù)都無法附加到父任務(wù)，會改成作為分離的子任務(wù)執(zhí)行。
HideScheduler	16	防止環(huán)境計劃程序被視為已創(chuàng)建任務(wù)的當(dāng)前計劃程序。
LongRunning	2	指定任務(wù)將是長時間運行的、粗粒度的操作，涉及比細(xì)化的系統(tǒng)更少、更大的組件。
None	0	指定應(yīng)使用默認(rèn)行為。
PreferFairness	1	提示 TaskScheduler 以一種盡可能公平的方式安排任務(wù)。
RunContinuationsAsynchronously	64	強(qiáng)制異步執(zhí)行添加到當(dāng)前任務(wù)的延續(xù)任務(wù)。

這個枚舉在 TaskFactory 和 TaskFactory<TResult> 、Task 和 Task<TResult> 、

StartNew()、FromAsync() 、TaskCompletionSource<TResult> 等地方可以使用到。

子任務(wù)使用了 TaskCreationOptions.AttachedToParent ，并不是指父任務(wù)要等待子任務(wù)完成后，父任務(wù)才能繼續(xù)完往下執(zhí)行；而是指父任務(wù)如果先執(zhí)行完畢，那么必須等待子任務(wù)完成后，父任務(wù)才算完成。

這里來探究 TaskCreationOptions.AttachedToParent的使用。代碼示例如下：

            // 父子任務(wù)
            Task task = new Task(() =>
            {
                // TaskCreationOptions.AttachedToParent
                // 將此任務(wù)附加到父任務(wù)中
                // 父任務(wù)需要等待所有子任務(wù)完成后，才能算完成
                Task task1 = new Task(() =>
                {
                    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
                    for (int i = 0; i < 5; i++)
                    {
                        Console.WriteLine("     內(nèi)層任務(wù)1");
                        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.5));
                    }
                }, TaskCreationOptions.AttachedToParent);
                task1.Start();

                Console.WriteLine("最外層任務(wù)");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            });

            task.Start();
            task.Wait();

            Console.ReadKey();

而 TaskCreationOptions.DenyChildAttach 則不允許其它任務(wù)附加到外層任務(wù)中。

        static void Main()
        {
            // 不允許出現(xiàn)父子任務(wù)
            Task task = new Task(() =>
            {
                Task task1 = new Task(() =>
                {
                    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
                    for (int i = 0; i < 5; i++)
                    {
                        Console.WriteLine("  內(nèi)層任務(wù)1");
                        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.5));
                    }
                }, TaskCreationOptions.AttachedToParent);
                task1.Start();

                Console.WriteLine("最外層任務(wù)");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            }, TaskCreationOptions.DenyChildAttach); // 不收兒子

            task.Start();
            task.Wait();

            Console.ReadKey();
        }

然后，這里也學(xué)習(xí)了一個新的 Task 方法：Wait() 等待 Task 完成執(zhí)行過程。Wait() 也可以設(shè)置超時時間。

如果父任務(wù)是通過調(diào)用 Task.Run 方法而創(chuàng)建的，則可以隱式阻止子任務(wù)附加到其中。

關(guān)于附加的子任務(wù)，請參考：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/parallel-programming/attached-and-detached-child-tasks?view=netcore-3.1

任務(wù)返回結(jié)果以及異步獲取返回結(jié)果

要獲取任務(wù)返回結(jié)果，要使用泛型類或方法創(chuàng)建任務(wù)，例如 Task<Tresult>、Task.Factory.StartNew<TResult>()、Task.Run<TResult>。

通過其泛型的的 Result 屬性，可以獲得返回結(jié)果。

異步獲取任務(wù)執(zhí)行結(jié)果：

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            // *******************************
            Task<int> task = new Task<int>(() =>
            {
                return 666;
            });
            // 執(zhí)行
            task.Start();
            // 獲取結(jié)果，屬于異步
            int number = task.Result;

            // *******************************
            task = Task.Factory.StartNew<int>(() =>
            {
                return 666;
            });

            // 也可以異步獲取結(jié)果
            number = task.Result;

            // *******************************
            task = Task.Run<int>(() =>
              {
                  return 666;
              });

            // 也可以異步獲取結(jié)果
            number = task.Result;
            Console.ReadKey();
        }
    }

如果要同步的話，可以改成：

            int number = Task.Factory.StartNew<int>(() =>
            {
                return 666;
            }).Result;

捕獲任務(wù)異常

進(jìn)行中的任務(wù)發(fā)生了異常，不會直接拋出來阻止主線程執(zhí)行，當(dāng)獲取任務(wù)處理結(jié)果或者等待任務(wù)完成時，異常會重新拋出。

示例如下：

        static void Main()
        {
            // *******************************
            Task<int> task = new Task<int>(() =>
            {
                throw new Exception("反正就想彈出一個異常");
            });
            // 執(zhí)行
            task.Start();
            Console.WriteLine("任務(wù)中的異常不會直接傳播到主線程");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            // 當(dāng)任務(wù)發(fā)生異常，獲取結(jié)果時會彈出
            int number = task.Result;

            // task.Wait(); 等待任務(wù)時，如果發(fā)生異常，也會彈出

            Console.ReadKey();
        }

亂拋出異常不是很好的行為噢~可以改成如下：

        static void Main()
        {
            Task<Program> task = new Task<Program>(() =>
            {
                try
                {
                    throw new Exception("反正就想彈出一個異常");
                    return new Program();
                }
                catch
                {
                    return null;
                }
            });
            task.Start();

            var result = task.Result;
            if (result is null)
                Console.WriteLine("任務(wù)執(zhí)行失敗");
            else Console.WriteLine("任務(wù)執(zhí)行成功");

            Console.ReadKey();
        }

全局捕獲任務(wù)異常

TaskScheduler.UnobservedTaskException 是一個事件，其委托定義如下：

public delegate void EventHandler<TEventArgs>(object? sender, TEventArgs e);

下面是一個示例：

請發(fā)布程序后，打開目錄執(zhí)行程序。

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            TaskScheduler.UnobservedTaskException += MyTaskException;

            Task.Factory.StartNew(() =>
             {
                 throw new ArgumentNullException();
             });
            Thread.Sleep(100);
            GC.Collect();
            GC.WaitForPendingFinalizers();

            Console.WriteLine("Done");
            Console.ReadKey();
        }
        public static void MyTaskException(object sender, UnobservedTaskExceptionEventArgs eventArgs)
        {
            // eventArgs.SetObserved();
            ((AggregateException)eventArgs.Exception).Handle(ex =>
            {
                Console.WriteLine("Exception type: {0}", ex.GetType());
                return true;
            });
        }
    }

TaskScheduler.UnobservedTaskException 到底怎么用，筆者不太清楚。而且效果難以觀察。

請參考：

https://stackoverflow.com/search?q=TaskScheduler.UnobservedTaskException

到此這篇關(guān)于C#多線程系列之任務(wù)基礎(chǔ)(一)的文章就介紹到這了。希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

您可能感興趣的文章: