C#的变迁史 - C# 5.0 之并行编程总结篇

C# 5.0 搭载于.NET 4.5和VS2012之上。

　　同步操作既简单又方便，我们平时都用它。但是对于某些情况，使用同步代码会严重影响程序的可响应性，通常来说就是影响程序性能。这些情况下，我们通常是采用异步编程来完成功能，这在前面也多次提及了。异步编程的核心原理也就是使用多线程/线程池和委托来完成任务的异步执行和返回，只不过在每个新的C#版本中，微软都替我们完成了更多的事，使得程序模板越来越傻瓜化了。

　　.NET Framework 提供以下两种执行 I/O 绑定和计算绑定异步操作的标准模式：
1. 异步编程模型 (APM，Asynchronous Programming Model)

　　在该模型中异步操作由一对 Begin/End 方法（如 FileStream.BeginRead 和 Stream.EndRead）表示。
　　异步编程模型是一种模式，该模式使用更少的线程去做更多的事。.NET Framework很多类实现了该模式，这些类都定义了BeginXXX和EndXXX类似的方法，比如FileStream类的BeginRead和EndRead方法。同时我们也可以自定义类来实现该模式(也就是在自定义的类中实现返回类型为IAsyncResult接口的BeginXXX方法和EndXXX方法)；另外委托类型也定义了BeginInvoke和EndInvoke方法，使得委托可以异步执行。这些异步操作的背后都是线程池在支撑着，这是微软异步编程的基础架构，也是比较老的模式，不过从中我们可以清楚的了解异步操作的原理。

　　所有BeginXXX方法返回的都是实现了IAsyncResult接口的一个对象，并不是对应的同步方法所要得到的结果的。此时我们需要调用对应的EndXXX方法来结束异步操作，并向该方法传递IAsyncResult对象，EndXxx方法的返回类型就是和同步方法一样的。例如，FileStream的EndRead方法返回一个Int32来代表从文件流中实际读取的字节数。

　　对于访问异步操作的结果，APM提供了四种方式供开发人员选择：

- 在调用BeginXxx方法的线程上调用EndXXX方法来得到异步操作的结果，但是这种方式会阻塞调用线程，直到操作完成之后调用线程才继续运行
- 查询IAsyncResult的AsyncWaitHandle属性，从而得到WaitHandle，然后再调用它的WaitOne方法来使一个线程阻塞并等待操作完成再调用EndXxx方法来获得操作的结果。
- 循环查询IAsyncResult的IsComplete属性，操作完成后再调用EndXxx方法来获得操作返回的结果。
- 使用 AsyncCallback委托来指定操作完成时要调用的方法，在操作完成后调用的方法中调用EndXxx操作来获得异步操作的结果。
　　在上面的4种方式中，第4种方式是APM的首选方式，因为此时不会阻塞执行BeginXxx方法的线程，然而其他三种都会阻塞调用线程，相当于效果和使用同步方法是一样，在实际异步编程中都是使用委托的方式。

看一个简答的例子：

using System;
using System.Net;
using System.Threading;

class Program
{
    static DateTime start;
    static void Main(string[] args)
    {
        // 用百度分别检索0，1，2，3，4，共检索5次
        start = DateTime.Now;
        string strReq = "http://www.baidu.com/s?wd={0}";
        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            var req = WebRequest.Create(string.Format(strReq, i));
            // 注意这里的BeginGetResponse就是异步方法
            var res = req.BeginGetResponse(ProcessWebResponse, req);
        }

        Thread.Sleep(1000000);
    }

    private static void ProcessWebResponse(IAsyncResult result)
    {
        var req = (WebRequest)result.AsyncState;
        string strReq = req.RequestUri.AbsoluteUri;
        using (var res = req.EndGetResponse(result))
        {
            Console.Write("检索 {0} 的结果已经返回！\t", strReq.Substring(strReq.Length - 1));
            Console.WriteLine("耗用时间：{0}毫秒", TimeSpan.FromTicks(DateTime.Now.Ticks - start.Ticks).TotalMilliseconds);
        }
    }
}

结构相当简单，使用了回调函数获取结果，就不多说了。

 

2. 基于事件的异步模式 (EAP，Event based Asynchronous programming Model)

　　在该模式中异步操作由名为“XXXAsync”和“XXXCompleted”的方法/事件表示，例如WebClient.DownloadStringAsync 和 WebClient.DownloadStringCompleted，还有像常用的BackgroundWorker.RunWorkerAsync和BackgroundWorker.RunWorkerCompleted方法。
　　EAP 是在 .NET Framework 2.0 版中引入的。使用陈旧的BeginXXX和EndXXX方法无疑是不够优雅的，并且程序员需要写更多的代码，特别是在UI程序中使用不太方便。UI的各种操作基本都是基于事件的，而且通常来说UI线程和子线程之间还需要互相交流，比如说显示进度，警告，相关的消息等等，直接在子线程中访问UI线程上的空间是需要写一些同步代码的。这些操作使用APM处理起来都比较麻烦，而EAP则很好的解决了这些问题，EAP里面最出色的代表就应该是BackgroundWorker类了。
　　看一个网上一位仁兄写的下载的小例子：

private void btnDownload_Click(object sender, EventArgs e)
{
    if (bgWorkerFileDownload.IsBusy != true)
    {
       // 开始异步执行DoWork中指定的任务 
       bgWorkerFileDownload.RunWorkerAsync();
                  
       // 创建RequestState对象
       requestState = new RequestState(downloadPath);
       requestState.filestream.Seek(DownloadSize, SeekOrigin.Begin);
       this.btnDownload.Enabled = false;
       this.btnPause.Enabled = true;
    }
    else
    {
       MessageBox.Show("正在执行操作，请稍后");
    }
}

private void btnPause_Click(object sender, EventArgs e)
{
  // 暂停的标准处理方式：先判断标识，然后异步申请暂停
  if (bgWorkerFileDownload.IsBusy && bgWorkerFileDownload.WorkerSupportsCancellation == true)
  {
    bgWorkerFileDownload.CancelAsync();
  }
}

// 指定Worker的工作任务，当RunWorkerAsync方法被调用时开始工作
// 这是在子线程中执行的，不允许访问UI上的元素
private void bgWorkerFileDownload_DoWork(object sender, DoWorkEventArgs e)
{
    // 获取事件源
    BackgroundWorker bgworker = sender as BackgroundWorker;

    // 开始下载
    HttpWebRequest myHttpWebRequest = (HttpWebRequest)WebRequest.Create(txbUrl.Text.Trim());

    // 断点续传的功能
    if (DownloadSize != 0)
    {
      myHttpWebRequest.AddRange(DownloadSize);
    }

    requestState.request = myHttpWebRequest;
    requestState.response = (HttpWebResponse)myHttpWebRequest.GetResponse();
    requestState.streamResponse = requestState.response.GetResponseStream();
    int readSize = 0;
    // 前面讲过的异步取消中子线程的工作：循环并判断标识
    while (true)
    {
      if (bgworker.CancellationPending == true)
      {
        e.Cancel = true;
        break;
      }

      readSize = requestState.streamResponse.Read(requestState.BufferRead, 0, requestState.BufferRead.Length);
      if (readSize > 0)
      {
        DownloadSize += readSize;
        int percentComplete = (int)((float)DownloadSize / (float)totalSize * 100);
        requestState.filestream.Write(requestState.BufferRead, 0, readSize);

        // 报告进度，引发ProgressChanged事件的发生
        bgworker.ReportProgress(percentComplete);
      }
      else
      {
        break;
      }
    }
}

// 当Worker执行ReportProgress时回调此函数。此函数在UI线程中执行更新操作进度的任务
// 因为是在在主线程中工作的，可以与UI上的元素交互
private void bgWorkerFileDownload_ProgressChanged(object sender, ProgressChangedEventArgs e)
{
    this.progressBar1.Value = e.ProgressPercentage;
}

// 当Worker结束时触发的回调函数：也许是成功完成的，或是取消了，或者是抛异常了。
// 这个方法是在UI线程中执行，所以可以与UI上的元素交互
private void bgWorkerFileDownload_RunWorkerCompleted(object sender, RunWorkerCompletedEventArgs e)
{
    if (e.Error != null)
    {
      MessageBox.Show(e.Error.Message);
      requestState.response.Close();
    }
    else if (e.Cancelled)
    {
      MessageBox.Show(String.Format("下载暂停，下载的文件地址为：{0}\n 已经下载的字节数为: {1}字节", downloadPath, DownloadSize));
      requestState.response.Close();
      requestState.filestream.Close();

      this.btnDownload.Enabled = true;
      this.btnPause.Enabled = false;
    }
    else
    {
      MessageBox.Show(String.Format("下载已完成，下载的文件地址为：{0}，文件的总字节数为: {1}字节", downloadPath, totalSize));

      this.btnDownload.Enabled = false;
      this.btnPause.Enabled = false;
      requestState.response.Close();
      requestState.filestream.Close();
    }
}

private void GetTotalSize()
{
    HttpWebRequest myHttpWebRequest = (HttpWebRequest)WebRequest.Create(txbUrl.Text.Trim());
    HttpWebResponse response = (HttpWebResponse)myHttpWebRequest.GetResponse();
    totalSize = response.ContentLength;
    response.Close();
}

// 存储申请的状态
public class RequestState
{
    public int BufferSize = 2048;

    public byte[] BufferRead;
    public HttpWebRequest request;
    public HttpWebResponse response;
    public Stream streamResponse;

    public FileStream filestream;
    public RequestState(string downloadPath)
    {
      BufferRead = new byte[BufferSize];
      request = null;
      streamResponse = null;
      filestream = new FileStream(downloadPath, FileMode.OpenOrCreate);
    }
}

　　上面的例子就是实现了一个可以取消的带断点续传功能的下载器，这是个Winform程序，控件也很简单：一个Label，一个Textbox，两个Button，一个ProgressBar；把这些控件和上面的事件对应绑定即可。  

 

　　在.NET 4.0 (C# 4.0)中，并行库(TPL)的加入使得异步编程更加方便快捷，在.NET 4.5 (C# 5.0)中，异步编程将更加方便。

　　这里我们先回顾一下C# 4.0中的TPL的用法，看一个简单的小例子：这个例子中只有一个Button和一个Label，点击Button会调用一个函数计算一个结果，这个结果最后会显示到Label上，很简单，我们只看核心的代码：

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    this.button1.Enabled = false;
    var uiScheduler = TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext(); //get UI thread context 
    var someTask = Task<int>.Factory.StartNew(() => slowFunc(1, 2)); //create and start the Task 
    someTask.ContinueWith(x =>
        {
            this.label1.Text = "Result: " + someTask.Result.ToString();
            this.button1.Enabled = true;
        }, uiScheduler
    );
}

private int slowFunc(int a, int b)
{
    System.Threading.Thread.Sleep(3000);
    return a + b;
}

　　上面的slowFunc就是模拟了一个需要大量时间去运行的任务，为了不阻塞UI线程，只能使用Task去异步运行，为了在把结果显示到Label上，代码中我们使用了TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext()方法同步线程上下文，使得在ContinueWith方法中可以使用UI线程上的控件，这是TPL编程中的一个常用技巧。
　　说不上太麻烦，但是感觉上总之不舒服，完全没有同步代码写起来那么自然，简单。从我个人的理解来说，C# 5.0中的async和await正是提高了这方面的用户体验。
　　C# 5.0中的async和await特性并没有在IL层面增加了新的成员，所以也可以说是一种语法糖。下面先看看再C# 5.0中如何解决这个问题： 

private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    this.button1.Enabled = false;
    var someTask = Task<int>.Factory.StartNew(() => slowFunc(1, 2));
    await someTask;
    this.label1.Text = "Result: " + someTask.Result.ToString();
    this.button1.Enabled = true;
}

　　注意这段代码中的async和await的用法。除了这个事件处理函数，其他的都没有变化。是不是很神奇，完全和同步代码没什么太大的区别，很是简单优雅，完全是同步方式的异步编程。
　　下面我们就详细的讨论一下async和await这两个关键字。

async和await
　　通过使用async修饰符，可将方法、lambda表达式或匿名方法指定为异步。 使用了这个修饰符的方法或表达式，则其称为异步方法，如上面的button1_Click方法就是一个异步方法。
　　异步方法提供了一种简便方式来完成可能需要长时间运行的工作，而不必阻塞调用方的线程。 异步方法的调用方(这里就是button1_Click的调用者)可以继续工作，而不必等待异步方法button1_Click完成。 完成这个特性需要使用 await 关键字，以便立即返回，从而允许button1_Click的调用方继续工作或返回到线程的同步上下文（或消息泵）。
　　从上面的描述中得到，异步方法更准确的定义应该是：使用async修饰符定义的，且通常包含一个或多个await表达式的方法称为异步方法。
　　如果async关键字修饰的方法不包含await表达式或语句，则该方法仍将同步执行。 对于这种情况，编译器将会给出警告，因为该情况通常表示程序可能存在错误。 也就是说，单单使用async修饰符的方法还是在同步执行的，只有配合await关键字后方法的部分才开始异步执行。

　　await表达式不阻塞主线程。 相反，它告诉编译器去重写异步方法来完成下面几件事：
1. 启动子线程(通常是线程池中的线程)完成await表达式中指定的任务，这是异步执行的真正含义。
2. 将await表达式后面未执行的语句注册为await表达式中执行的任务的后续任务，然后挂起这个异步方法，直接返回到异步方法的调用方。
3. 当await表达式中执行的任务完成后，子线程结束。
4. 任务寻找到注册的后续任务，恢复异步方法的执行环境，继续执行后续任务，因为已经恢复到异步方法的执行上下文中，所以不存在跨线程的问题。
　　看了这个过程，其实与我们使用ContinueWith的那种方式没什么太大的不同。回到上面的button1_Click方法，这下就好理解了，该方法从开始时同步运行，直至到达其第一个await表达式，此时异步的执行Task中指定的方法，然后将button1_Click方法挂起，回到button1_Click的调用者执行其他的代码；直到等待的任务完成后，回到button1_Click中继续执行后续的代码，也就是更新Label的内容。

　　这里需要注意几点：
1. async和await只是上下文关键字。 当它们不修饰方法、lambda 表达式或匿名方法时，就不是关键字了，只作为普通的标识符。
2. 使用async修饰的异步方法的返回类型可以为 Task、Task<TResult> 或 void。 方法不能声明任何 ref 或 out 参数，但是可以调用具有这类参数的方法。
　　如果异步方法需要一个 TResult 类型的返回值，则需要应指定 Task<TResult> 作为方法的返回类型。
　　如果当方法完成时未返回有意义的值，则应使用 Task。 对于返回Task的异步方法，当 Task 完成时，任何等待 Task 的所有 await 表达式的计算结果都为 void。
　　而使用void作为返回类型的方式主要是来定义事件处理程序，这些处理程序需要此返回类型。 使用void 作为异步方法的返回值时，该异步方法的调用方不能等待，并且无法捕获该方法引发的异常。
3. await表达式的返回值
　　如果 await 应用于返回Task<TResult>的方法调用的结果，那么 await 表达式的类型是 TResult。 如果将 await 应用于返回Task的方法调用结果，则 await 表达式的类型无效。看下面的例子中的使用方式：

// 返回Task<TResult>的方法.
TResult result = await AsyncMethodThatReturnsTaskTResult();

// 返回一个Task的方法.
await AsyncMethodThatReturnsTask();

4.异常问题
　　大多数异步方法返回 Task 或 Task<TResult>。 返回任务的属性承载有关其状态和历史记录的信息，例如任务是否已完成，异步方法是否引发异常或已取消，以及最终结果如何。 await 运算符会访问那些属性。
　　如果任务返回异常，await 运算符会再次引发异常。
　　如果任务被取消后返回，await 运算符也会再次引发 OperationCanceledException。
　　总之，在await外围使用try/catch可以捕获任务中的异常。看一个例子：

public class AsyncTest
{
    static void Main(string[] args)
    {
        AsyncTest c = new AsyncTest();
        c.RunAsync();

        // 模拟其他的工作
        Thread.Sleep(1000000);
    }

    public void RunAsync()
    {
        DisplayValue(); 
        //这里不会阻塞
        Console.WriteLine("RunAsync() End.");
    }

    public Task<double> GetValueAsync(double num1, double num2)
    {
        return Task.Run(() =>
        {
            for (int i = 0; i < 1000000; i++)
            {
                num1 = num1 / num2;

                if (i == 999999)
                {
                    throw new Exception("Crash");
                }
            }

            return num1;
        });
    }

    public async void DisplayValue()
    {
        double result = 0;
        //此处会开新线程处理GetValueAsync任务，然后方法马上返回
        try
        {
            result = await GetValueAsync(1234.5, 1.0);
        }
        catch (Exception)
        {
            //throw;
        }
            
        //这之后的所有代码都会被封装成委托，在GetValueAsync任务完成时调用
        Console.WriteLine("Value is : " + result);
    }
}

　　但是需要注意一点，如果任务抛出了多个异常(例如，该任务可能是启动了更多的子线程)时，await运算符只能抛出异常中的一个，而且不能确定是哪一个。这时就需要把这些子线程包装到一个Task中，这样这些异常就都会被包装到AggregateException中，看下面例子的做法：

public class AsyncTest
{
    static void Main(string[] args)
    {
        AsyncTest c = new AsyncTest();
        c.RunAsync();

        // 模拟其他的工作
        Thread.Sleep(1000000);
    }

    public void RunAsync()
    {
        DisplayValue(); 
        //这里不会阻塞
        Console.WriteLine("RunAsync() End.");
    }

    public async void DisplayValue()
    {
        Task all = null;
        try
        {
            await (all = Task.WhenAll(
                Task.Run(() => { throw new Exception("Ex1"); }), 
                Task.Run(() => { throw new Exception("Ex2"); }))
                );
        }
        catch
        {
            foreach (var ex in all.Exception.InnerExceptions)
            {
                Console.WriteLine(ex.Message);
            }
        }
    }
}

　　当然了，大家也别忘了最后一招杀手锏：TaskScheduler.UnobservedTaskException，使用这个去捕获一些没有处理的异常。
　　到此，异步方法就介绍到这里了。最后附上一位网上兄弟写的异步执行一些耗时操作的辅助类：

public static class TaskAsyncHelper
{
    /// <summary>
    /// 将一个方法function异步运行，在执行完毕时执行回调callback
    /// </summary>
    /// <param name="function">异步方法，该方法没有参数，返回类型必须是void</param>
    /// <param name="callback">异步方法执行完毕时执行的回调方法，该方法没有参数，返回类型必须是void</param>
    public static async void RunAsync(Action function, Action callback)
    {
        Func<System.Threading.Tasks.Task> taskFunc = () =>
        {
            return System.Threading.Tasks.Task.Run(() =>
            {
                function();
            });
        };
        await taskFunc();
        if (callback != null)
            callback();
    }

    /// <summary>
    /// 将一个方法function异步运行，在执行完毕时执行回调callback
    /// </summary>
    /// <typeparam name="TResult">异步方法的返回类型</typeparam>
    /// <param name="function">异步方法，该方法没有参数，返回类型必须是TResult</param>
    /// <param name="callback">异步方法执行完毕时执行的回调方法，该方法参数为TResult，返回类型必须是void</param>
    public static async void RunAsync<TResult>(Func<TResult> function, Action<TResult> callback)
    {
        Func<System.Threading.Tasks.Task<TResult>> taskFunc = () =>
        {
            return System.Threading.Tasks.Task.Run(() =>
            {
                return function();
            });
        };
        TResult rlt = await taskFunc();
        if (callback != null)
            callback(rlt);
    }
}

简单实用！

 

推荐链接：
你必须知道的异步编程：http://www.cnblogs.com/zhili/category/475336.html
传统异步编程指导：http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/vstudio/dd997423.aspx
使用async异步编程指导：http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/vstudio/hh191443.aspx