C#多线程和异步（三）——一些异步编程模式

一、任务并行库

　　任务并行库（Task Parallel Library）是BCL中的一个类库，极大地简化了并行编程，Parallel常用的方法有For/ForEach/Invoke三个静态方法。在C#中for/foreach循环使用十分普遍，如果迭代不依赖与上次迭代的结果时，把迭代放在 不同的处理器上并行处理 将很大地提高运行效率，Parallel.For和Parallel.ForEach就是为这个目的而设计的。

　　看一个Parallel.For/ForEach的栗子：

          static void Main(string[] args)
         {
             //Parallel.For  计算0到6的平方
             Parallel.For(1, 6, i =>
             {
                 Console.WriteLine($"{i}的平方是{i*i}");
             });
 
             //Parallel.ForEach 计算每个字符串的长度
            string[] strs = { "We", "hold", "these", "truths" };
            Parallel.ForEach(strs, i => Console.WriteLine($"{i}有{i.Length}个字节"));
            Console.ReadKey();
        }

　　运行结果：

　　如果我们想并行执行多个任务，可以使用 Parallel.Invoke(Action[] actions) 方法，看一个栗子：

        static void Main(string[] args)
        {
            Parallel.Invoke(
                () => { Console.WriteLine($"并行执行任务1，线程Id为{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); },
                () => { Console.WriteLine($"并行执行任务2，线程Id为{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); }
                );
            Console.ReadKey();
        }

执行结果如下：

 

二、计时器(Timer)

　　计时器提供了一种 定期重复运行异步方法 的方式，当计时器到期后，系统从线程池中的线程上开启一个回调方法，把state作为参数，并开始运行。

Timer最常用的构造函数如下：

Timer(TimeCallback callback,object state,uint dueTime, uint period)

callback是一个返回值为void的委托，state为传入callback的参数，dueTime为第一次调用前的时间，period为两次调用的时间间隔

 一个栗子：

 class Program
    {
        int count = 0;
        void Run(object state)
        {
            Console.WriteLine("{0},已经调用了{1}次了", state, ++count);
        }
        static void Main(string[] args)
        {
            Program p = new Program();
            //2000毫秒后开始调用，每次间隔1000毫秒
            Timer timer = new Timer(p.Run, "hello", 2000, 1000);
            Console.WriteLine("Timer start");
            
            Console.ReadLine();
        }
    }

执行结果：

三、委托执行异步

　　委托执行异步是早期执行异步的一种方式，特别是早几年进行网络编程时用的比较多。现在我们完全可以使用更优秀的其他异步编程模式去替代它。有时候我们会查看早期的代码，我们在这里简单介绍下委托执行异步的方法。使用委托执行异步，使用的是引用方法，如果一个委托对象在调用列表中只有一个方法（这个方法就是引用方法），它就可以异步执行这个方法。委托类有两个方法 BeginIvoke和EndInvoke 。

　　 BeginInvoke :执行BeginInvoke方法时，会线程池中获取一个独立线程来执行引用方法，并立即返回一个实现IAsyncResult接口的对象的（该对象包含了线程池中线程运行异步方法的状态），调用线程不阻塞，而引用方法在线程池的线程中并行执行。

　　 EndInvoke  : 获取异步方法调用返回的值，并释放资源，该方法把异步方法的返回值作为自己的返回值。

委托执行异步编程的3种模式：

　　等待一直到完成（wait-until-done）：在发起了异步方法，原始线程执行到EndInvoke时就中断并且等异步方法完成完成后再继续。

　　轮询（polling）:原始线程定期检查发起的线程是否完成（通过IAsyncResult.IsCompleted属性判断），如果没有则继续进行原始线程中的任务。

　　回调（callback）：原始线程一直执行，无需等待或检查发起的线程是否完成，在发起的线程中的引用方法完成之后，发起线程会调用回调方法，由回调方法在调用EndInvoke之前处理异步方法的结果。

3.1 等待一直到完成模式

　　原始线程执行到EndInvoke，如果异步任务没有完成就一直等待

    delegate int MyDel(int first,int second);//委托声明
    class Program
    {
        static int Sum(int x, int y)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            return x + y;
        }
        static void Main(string[] args)
        {
            MyDel del = Sum;
            //调用异步操作（第三个参数是回调函数，第四个参数是额外的值）
            IAsyncResult iar = del.BeginInvoke(3, 5, null, null);
            
            //doSomehing...
            
            //执行EndInvoke,如果引用方法Sum没有执行完成，主线程就等待其完成
            int result = del.EndInvoke(iar);
            Console.WriteLine(result);
        }
    }

3.2 轮询模式

　　定期查询任务是否完成：

    delegate int MyDel(int first,int second);//委托声明
    class Program
    {
        static int Sum(int x, int y)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            return x + y;
        }
        static void Main(string[] args)
        {
            MyDel del = Sum;
            IAsyncResult iar = del.BeginInvoke(3, 5, null, null);
            
            //通过iar.IsCompleted定期查询完成状态
            while (!iar.IsCompleted)//IsCompleted表示调用的异步操作是否完成
            {
                //doSomething
                Thread.Sleep(300);
                Console.WriteLine("no done");
            }
            int result = del.EndInvoke(iar);
            Console.WriteLine(result);
            Console.ReadKey();
        }
    }

3.3 回调模式

原始线程执行委托的BeginInvoke后就不管新线程的事了，委托中的引用方法执行完成后，在回调函数中获取结果并处理，执行委托的EndInvoke方法

    delegate int MyDel(int first,int second);//委托声明
    class Program
    {
        static int Sum(int x, int y)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            return x + y;
        }
        
        //回调方法的签名和返回值类型必须和AsyncCallBack委托类型一致
        //输入参数为IAsyncResult,返回值是Void类型
       static void CallWhenDone(IAsyncResult iar){
           AsyncResult ar = (AsyncResult)iar;
           MyDel del = (MyDel)ar.AsyncDelegate;
           int result = del.EndInvoke(iar);
           Console.WriteLine("回调函数执行EndInvoke");
           Console.WriteLine("result:{0}", result);
           Console.WriteLine("回调函数完成");
        }     
        
        static void Main(string[] args)
        {
            MyDel del = Sum;
            //执行BeginInvoke方法后原始线程就不用管了，在自定义的回调函数（CallWhenDone）中执行EndInvoke方法
            IAsyncResult iar = del.BeginInvoke(3, 5, CallWhenDone, null);
            Console.WriteLine("开启新线程，异步任务完成后执行回调函数");
            //doSomething
            Console.WriteLine("回调执行不阻塞原始线程");
            Console.ReadKey();
        }
    }

执行结果：

还有一些其他的异步编程模式如BackgroundWorker等，这里不再过多介绍。

 一点补充(Windbg)

1 cpu占用过高

　　我们使用多线程时有时会遇到cpu占用过高、内存爆满的情况，快速定位异常线程是多线程开发中必须熟悉的技能。cpu占用过高一般是由死循环造成的，看下边一个简单的栗子，Run方法内部有死循环，程序运行后会 占用大量的cpu资源：

namespace MyApp
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Run();
            Run2();
            Console.ReadKey();
        }
　　//死循环，会造成cpu内存占用过高
        static void Run()
        {
            Thread th = new Thread(() =>
            {
                while (true)
                {
                    Console.WriteLine("hello windbg");
                }
            });
            th.Start();
        }
　　//不会占用太高的cpu资源
        static void Run2()
        {
            Thread th = new Thread(() =>
            {
                while (true)
                {
                    Thread.Sleep(1000);
                    Console.WriteLine("hello windbg2");
                }
            });
            th.Start();
        }
    }
}

　　程序运行后cpu资源占用过高，怎么去定位呢？这里采用Windbg简单演示cpu占用过高的异常定位，下载地址：Windbg下载。安装完成后，界面如下所示：

1.生成Dump文件

　　这里MyApp生成为x64位的Release版本，点击MyApp.exe文件运行，打开【任务管理器】，找到MyApp，右键选择【创建转储文件】即可生成dump文件。

2.Windbg分析dump文件

　　打开Windbg，选择【文件】->【Open dump file】->找到上一步生成的dump文件即可。

　　 执行以下命令加载符号和sos库

.sympath SRV*c:\localsymbols*http://msdl.microsoft.com/download/symbols
.reload
.load C:\Windows\Microsoft.NET\Framework64\v4.0.30319\SOS.DLL

　　通过命令 !threads 查看线程：

 　　死循环会长期占有cpu，通过 !runaway 查看各个线程的运行时间：

 　　我们看到 4eac线程的运行时间最长，通过命令 ~~[4eac] ; !clrstack 查看线程堆栈信息：

　　我们看到异常定位在MyApp的Program类的第24行，查看我们的代码，找到这个位置，发现这里是一个while(true)死循环，定位结束。

2 内存爆满

　　内存爆满也是异常遇到的问题，如大量拼接字符串会占用较大的内存，看下边的一个栗子，程序代码如下：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("开始执行..");
            GetBigString();
            Console.ReadKey();
        }
        //大字符串拼接
        static void GetBigString()
        {
            String str = "";
            for (int i = 0; i < 10000000; i++)
            {
                str+=$"hello{i}";
            }
            Console.WriteLine(str);
        }
    }

　    内存爆满最常见原因是大量创建某个类型的变量，问题定位方法和上边定位cpu占用高的定位差不多。首先生成dump文件，然后用Windbg打开，加载符号和sos库，然后执行 !dumpheap –stat 查看各个类型的数量和尺寸，我们看到string类型数量和占用的资源很多：

 

　　通过 !DumpHeap /d -mt 00007ff8878c74c0 查看当前的方法表，如下：

　　点开一个地址，具体内容如下：

　　通过字符串内容是【hello0hello1...】和string类型数量多、尺寸大，我们再去在代码中查找很容易定位到问题代码。

小结：Windbg可以查看clr级别内容，在开发中对我们优化代码和异常定位有不错的帮助，这里只是简单介绍Windbg的基本用法，有兴趣的小伙伴可以研究下官方教程。