异步编程：基于事件的异步编程模式(EAP)

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上一篇，我给大家介绍了“.NET1.0 IAsyncResult异步编程模型(APM)”，通过Begin*** 开启操作并返回IAsyncResult对象，使用 End*** 方法来结束操作，通过回调方法来做异步操作后其它事项。然而最大的问题是没有提供进度通知等功能及多线程间控件的访问。为克服这个问题（并解决其他一些问题），.NET2.0 中引入了：基于事件的异步编程模式(EAP，Event-based Asynchronous Pattern)。通过事件、AsyncOperationManager类和AsyncOperation类两个帮助器类实现如下功能：

1)   异步执行耗时的任务。

2)   获得进度报告和增量结果。

3)   支持耗时任务的取消。

4)   获得任务的结果值或异常信息。

5)   更复杂：支持同时执行多个异步操作、进度报告、增量结果、取消操作、返回结果值或异常信息。

对于相对简单的多线程应用程序，BackgroundWorker组件提供了一个简单的解决方案。对于更复杂的异步应用程序，可以考虑实现一个符合基于事件的异步模式的类。

 

 

 

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EAP异步编程模型的优点

    EAP是为Windows窗体开发人员创建的，其主要优点在于：

1.   EAP与Microsoft Visual Studio UI设计器进行了很好的集成。也就是说，可将大多数实现了EAP的类拖放到一个Visual Studio设计器平面上，然后双击事件名，让Visual Studio自动生成事件回调方法，并将方法同事件关联起来。

2.   EAP类在内部通过SynchronizationContext类，将应用程序模型映射到合适线程处理模型，以方便跨线程操作控件。

 

为了实现基于事件的异步模式，我们必须先理解两个重要的帮助器类：

 

AsyncOperationManager和AsyncOperation

    AsyncOperationManager类和AsyncOperation类是System.ComponentModel命名空间为我们提供了两个重要帮助器类。在基于事件的异步模式封装标准化的异步功能中，它确保你的异步操作支持在各种应用程序模型（包括 ASP.NET、控制台应用程序和 Windows 窗体应用程序）的适当“线程或上下文”调用客户端事件处理程序。

AsyncOperationManager类和AsyncOperation类的API如下：

    // 为支持异步方法调用的类提供并发管理。此类不能被继承。
    public static class AsyncOperationManager
    {
        // 获取或设置用于异步操作的同步上下文。
        public static SynchronizationContext SynchronizationContext { get; set; }

        // 返回可用于对特定异步操作的持续时间进行跟踪的AsyncOperation对象。
        // 参数:userSuppliedState:
        //     一个对象，用于使一个客户端状态（如任务 ID）与一个特定异步操作相关联。
        public static AsyncOperation CreateOperation(object userSuppliedState)
        {
            return AsyncOperation.CreateOperation(userSuppliedState,SynchronizationContext);
        }
    }

    // 跟踪异步操作的生存期。
    public sealed class AsyncOperation
    {
        // 构造函数
        private AsyncOperation(object userSuppliedState, SynchronizationContext syncContext);
        internal static AsyncOperation CreateOperation(object userSuppliedState
                                                , SynchronizationContext syncContext);
 
        // 获取传递给构造函数的SynchronizationContext对象。
        public SynchronizationContext SynchronizationContext { get; }
        // 获取或设置用于唯一标识异步操作的对象。
        public object UserSuppliedState { get; }

        // 在各种应用程序模型适合的线程或上下文中调用委托。
        public void Post(SendOrPostCallback d, object arg);
        // 结束异步操作的生存期。
        public void OperationCompleted();
        // 效果同调用 Post() + OperationCompleted() 方法组合
        public void PostOperationCompleted(SendOrPostCallback d, object arg);
    } 

    先分析下这两个帮助器类：

1.   AsyncOperationManager是静态类。静态类是密封的，因此不可被继承。倘若从静态类继承会报错“静态类必须从 Object 派生”。（小常识，以前以为密封类就是 sealed 关键字）

2.   AsyncOperationManager为支持异步方法调用的类提供并发管理，该类可正常运行于 .NET Framework 支持的所有应用程序模式下。

3.   AsyncOperation实例提供对特定异步任务的生存期进行跟踪。可用来处理任务完成通知，还可用于在不终止异步操作的情况下发布进度报告和增量结果（这种不终止异步操作的处理是通过AsyncOperation的 Post() 方法实现）。

4.   AsyncOperation类有一个私有的构造函数和一个内部CreateOperation() 静态方法。由AsyncOperationManager类调用AsyncOperation.CreateOperation() 静态方法来创建AsyncOperation实例。

5.   AsyncOperation类是通过SynchronizationContext类来实现在各种应用程序的适当“线程或上下文”调用客户端事件处理程序。

    // 提供在各种同步模型中传播同步上下文的基本功能。
    public class SynchronizationContext
    {
        // 获取当前线程的同步上下文。
        public static SynchronizationContext Current { get; }

        // 当在派生类中重写时，响应操作已开始的通知。
        public virtual void OperationStarted();
        // 当在派生类中重写时，将异步消息调度到一个同步上下文。
        public virtual void Post(SendOrPostCallback d, object state);
        // 当在派生类中重写时，响应操作已完成的通知。
        public virtual void OperationCompleted();
        ……
    }

a)   在AsyncOperation构造函数中调用SynchronizationContext的OperationStarted() ；

b)       在AsyncOperation的 Post() 方法中调用SynchronizationContext的Post() ；

c)   在AsyncOperation的OperationCompleted()方法中调用SynchronizationContext的OperationCompleted()；

6.   SendOrPostCallback委托签名：

    // 表示在消息即将被调度到同步上下文时要调用的方法。

public delegate void SendOrPostCallback(object state);

   

基于事件的异步模式的特征

1.   基于事件的异步模式可以采用多种形式，具体取决于某个特定类支持操作的复杂程度：

1)   最简单的类可能只有一个 ***Async方法和一个对应的 ***Completed 事件，以及这些方法的同步版本。

2)   复杂的类可能有若干个 ***Async方法，每种方法都有一个对应的 ***Completed 事件，以及这些方法的同步版本。

3)   更复杂的类还可能为每个异步方法支持取消（CancelAsync()方法）、进度报告和增量结果（ReportProgress() 方法+ProgressChanged事件）。

4)   如果您的类支持多个异步方法，每个异步方法返回不同类型的数据，您应该：

a)   将您的增量结果报告与您的进度报告分开。

b)   使用适当的EventArgs为每个异步方法定义一个单独的 ***ProgressChanged事件以处理该方法的增量结果数据。

5)   如果类不支持多个并发调用，请考虑公开IsBusy属性。

6)   如要异步操作的同步版本中有 Out 和 Ref 参数，它们应做为对应 ***CompletedEventArgs的一部分，eg：

public int MethodName(string arg1, ref string arg2, out string arg3);

public void MethodNameAsync(string arg1, string arg2);
public class MethodNameCompletedEventArgs : AsyncCompletedEventArgs
{
    public int Result { get; };
    public string Arg2 { get; };
    public string Arg3 { get; };
}

2.   如果你的组件要支持多个异步耗时的任务并行执行。那么：

1)   为***Async方法多添加一个userState对象参数（此参数应当始终是***Async方法签名中的最后一个参数），用于跟踪各个操作的生存期。

2)   注意要在你构建的异步类中维护一个userState对象的集合。使用 lock 区域保护此集合，因为各种调用都会在此集合中添加和移除userState对象。

3)   在***Async方法开始时调用AsyncOperationManager.CreateOperation并传入userState对象，为每个异步任务创建AsyncOperation对象，userState存储在AsyncOperation的UserSuppliedState属性中。在构建的异步类中使用该属性标识取消的操作，并传递给CompletedEventArgs和ProgressChangedEventArgs参数的UserState属性来标识当前引发进度或完成事件的特定异步任务。

4)   当对应于此userState对象的任务引发完成事件时，你构建的异步类应将AsyncCompletedEventArgs.UserState对象从集合中删除。

3.   异常处理

EAP的错误处理和系统的其余部分不一致。首先，异常不会抛出。在你的事件处理方法中，必须查询AsyncCompletedEventArgs的Exception属性，看它是不是null。如果不是null，就必须使用if语句判断Exception派生对象的类型，而不是使用catch块。

另外，如果你的代码忽略错误，那么不会发生未处理的异常，错误会变得未被检测到，应用程序将继续运行，其结果不可预知。

4.   注意：

1)   确保 ***EventArgs类特定于***方法。即当使用 ***EventArgs类时，切勿要求开发人员强制转换类型值。

2)   确保始终引发方法名称Completed 事件。成功完成、异常或者取消时应引发此事件。任何情况下，应用程序都不应遇到这样的情况：应用程序保持空闲状态，而操作却一直不能完成。

3)   确保可以捕获异步操作中发生的任何异常并将捕获的异常指派给 Error 属性。

4)   确保 ***CompletedEventArgs 类将其成员公开为只读属性而不是字段，因为字段会阻止数据绑定。eg:public MyReturnType Result { get; }

5)   在构建 ***CompletedEventArgs 类属性时，通过this.RaiseExceptionIfNecessary() 方法确保属性值被正确使用。Eg：

        private bool isPrimeValue;
        public bool IsPrime
        {
            get
            {
                RaiseExceptionIfNecessary();
                return isPrimeValue;
            }
        }

所以，在***Completed事件处理程序中，应当总是先检查 ***CompletedEventArgs.Error 和 ***CompletedEventArgs.Cancelled 属性，然后再访问RunWorkerCompletedEventArgs.Result属性。

 

BackgroundWorker组件

    System.ComponentModel命名空间的BackgroundWorker组件为我们提供了一个简单的多线程应用解决方案，它允许你在单独的线程上运行耗时操作而不会导致用户界面的阻塞。但是，要注意它同一时刻只能运行一个异步耗时操作（使用IsBusy属性判定），并且不能跨AppDomain边界进行封送处理（不能在多个AppDomain中执行多线程操作）。

1.   BackgroundWorker组件

    public class BackgroundWorker : Component
    {
        public BackgroundWorker();

        // 获取一个值，指示应用程序是否已请求取消后台操作。
        public bool CancellationPending { get; }
        // 获取一个值，指示BackgroundWorker是否正在运行异步操作。
        public bool IsBusy { get; }
        // 获取或设置一个值，该值指示BackgroundWorker能否报告进度更新。
        public bool WorkerReportsProgress { get; set; }
        // 获取或设置一个值，该值指示BackgroundWorker是否支持异步取消。
        public bool WorkerSupportsCancellation { get; set; }

        // 调用RunWorkerAsync() 时发生。
        public event DoWorkEventHandlerDoWork;
        // 调用ReportProgress(System.Int32) 时发生。
        public event ProgressChangedEventHandlerProgressChanged;
        // 当后台操作已完成、被取消或引发异常时发生。
        public event RunWorkerCompletedEventHandlerRunWorkerCompleted;

        // 请求取消挂起的后台操作。
        public void CancelAsync();
        // 引发ProgressChanged事件。percentProgress:范围从 0% 到 100%
        public void ReportProgress(int percentProgress);
        // userState:传递到RunWorkerAsync(System.Object) 的状态对象。
        public void ReportProgress(int percentProgress, object userState);
        // 开始执行后台操作。
        public void RunWorkerAsync();
        // 开始执行后台操作。argument:传递给DoWork事件的DoWorkEventArgs参数。
        public void RunWorkerAsync(object argument);
    }

2.   相应的EventArgs类

///1)	System.EventArgs基类
    // System.EventArgs是包含事件数据的类的基类。
    public class EventArgs
    {
        // 表示没有事件数据的事件。
        public static readonly EventArgs Empty;
        public EventArgs(); 
    }

///2)	DoWorkEventArgs类
    // 为可取消的事件提供数据。
    public class CancelEventArgs : EventArgs
    {
        public CancelEventArgs();
        public CancelEventArgs(bool cancel);
        // 获取或设置指示是否应取消事件的值。
        public bool Cancel { get; set; }
    }
    // 为DoWork事件处理程序提供数据。
    public class DoWorkEventArgs : CancelEventArgs
    {
        public DoWorkEventArgs(object argument);

        // 获取表示异步操作参数的值。
        public object Argument { get; }
        // 获取或设置表示异步操作结果的值。
        public object Result { get; set; }
    }

///3)	ProgressChangedEventArgs类
    // 为ProgressChanged事件提供数据。
    public class ProgressChangedEventArgs : EventArgs
    {
        public ProgressChangedEventArgs(int progressPercentage, object userState);

        // 获取异步任务的进度百分比。
        public int ProgressPercentage { get; }
        // 获取唯一的用户状态。
        public object UserState { get; }
    }

///4)	RunWorkerCompletedEventArgs类
    // 为MethodNameCompleted事件提供数据。
    public class AsyncCompletedEventArgs : EventArgs
    {
        public AsyncCompletedEventArgs();
        public AsyncCompletedEventArgs(Exception error, bool cancelled, object userState);

        // 获取一个值，该值指示异步操作是否已被取消。
        public bool Cancelled { get; }
        // 获取一个值，该值指示异步操作期间发生的错误。
        public Exception Error { get; }
        // 获取异步任务的唯一标识符。
        public object UserState { get; }

        // 访问 AsyncCompletedEventArgs 及其派生类的属性前调用此方法
        protected void RaiseExceptionIfNecessary()
        {
            if (this.Error != null)
            {
                throw new TargetInvocationException(……);
            }
            if (this.Cancelled)
            {
                throw new InvalidOperationException(……);
            }
        }
    }
    public class RunWorkerCompletedEventArgs : AsyncCompletedEventArgs
    {
        public RunWorkerCompletedEventArgs(object result, Exception error, bool cancelled);

        // 获取表示异步操作结果的值。
        public object Result { get; }
        // 获取表示用户状态的值。
        public object UserState { get; }
    }

3.   BackgroundWorker示例

示例代码中包含了BackgroundWorker源代码及对应的使用示例，这里不粘贴代码了，会导致篇幅更大。来个示例截图吧：

 

示例分析：

1)   首先我们为BackgroundWorker组件注册DoWork(异步操作)、ProgressChanged(进度报告) 和RunWorkCompleted(完成通知)事件；

2)   设置WorkerSupportsCancellation和WorkerReportsProgress属性为true，以声明组件支持取消操作和进度报告；

3)   使用RunWorkerAsync() 开启异步操作，通过IsBusy属性判断是否已经有异步任务在执行；

4)   使用CancelAsync() 方法取消异步操作，但要注意：

a)   它仅仅是将BackgroudWorker.CancellationPending属性设置为true。需要在具体DoWork事件中不断检查BackgroudWorker.CancellationPending来设置DoWorkEventArgs的Cancel属性。

b)   DoWork事件处理程序中的代码有可能在发出取消请求时完成其工作，轮询循环可能会错过设置为 true 的CancellationPending属性。在这种情况下，即使发出了取消请求，RunWorkerCompleted事件处理程序中RunWorkerCompletedEventArgs的 Cancelled 标志也不会设置为 true。这种情况被称作争用状态。（可以通过直接监控组件的CancellationPending属性，来做判断）

5)   确保在DoWork事件处理程序中不操作任何用户界面对象。而应该通过ProgressChanged和RunWorkerCompleted事件与用户界面进行通信。

因为RunWorkerAsync() 是通过委托的BeginInvoke() 引发的DoWork事件，即DoWork事件的执行线程已不是创建控件的线程（我在《异步编程：异步编程模型 (APM)》中介绍了几种夸线程访问控件的方式）。而ProgressChanged和RunWorkerCompleted事件是通过帮助器类AsyncOperation的 Post() 方法使其调用发生在合适的“线程或上下文”中。

 

自定义基于事件的异步组件

    刚才我们介绍了BackgroundWorker组件，但是这个组件在一个时刻只能开启一个异步操作，那如果我们要想同时支持多个异步操作、进度报告、增量结果、取消和返回结果值或异常信息该怎么办呢？对的，我们可以为自己定义一个基于事件的异步组件。

    我直接引用MSDN上的一则计算质数的异步组件示例，请从我提供的示例代码中获取。

质数算法：埃拉托色尼筛法

eg：判断n是否为质数

1、1和0既非素数也非合数；

2、将2和3加入质数集合primes；从n=5开始，通过 n+=2 来跳过所有偶数；

3、循环集合primes中的质数并将其做为n的因子，能整除的为合数；

4、若不能整除，则继续循步骤3直到“因子的平方>n”，即可判断n为质数，并将其加入到集合primes。

 

来个示例截图吧：

 

示例分析：（组件名：PrimeNumberCalculator）

1.   首先我们为PrimeNumberCalculator组件注册ProgressChanged(进度报告) 和CalculatePrimeCompleted(完成通知)事件；

2.   使用CalculatePrimeAsync(intnumberToTest, object taskId)开启异步任务，注意我们需要传递一个唯一标识Guid taskId = Guid.NewGuid();用于标识取消的操作，并传递给CompletedEventArgs和ProgressChangedEventArgs参数的UserState属性来标识当前引发进度或完成事件的特定异步任务；

3.   取消操作CancelAsync(object taskId)，只是将taskId对应的AsyncOperation实例移除内部任务集合，耗时操作通过判断taskId是否存在于集合来判断其是否被取消；

 

 

此文到此结束，通过此博文我们认识到：

1)   基于事件的异步编程是通过AsyncOperationManager类和AsyncOperation类两个帮助器类确保你的异步操作支持在各种应用程序模型（包括 ASP.NET、控制台应用程序和 Windows 窗体应用程序）的适当“线程或上下文”调用访问控件；

2)   BackgroundWorker组件构建、使用和缺点。

3)   展现如何构建一个基于事件的异步组件，并且支持多个异步操作的并行运行

 

感谢大家的观赏，如本文对你有帮助还请多帮推荐支持下……

 

 

 

参考：MSDN

             书籍：《CLR via C#(第三版)》