模拟实现.net中的Task机制：探索异步编程的奥秘
.net中使用Task可以方便地编写异步程序，为了更好地理解Task及其调度机制，接下来模拟Task的实现，目的是搞清楚：
- Task是什么
- Task是如何被调度的
基本的Task模拟实现
从最基本的Task用法开始
Task.Run(Action action)
这个命令的作用是将action作为一项任务提交给调度器，调度器会安排空闲线程来处理。
我们使用Job来模拟Task
public class Job
{
private readonly Action _work;
public Job(Action work) => _work = work;
public JobStatus Status { get; internal set; }
internal protected virtual void Invoke()
{
Status = JobStatus.Running;
_work();
Status = JobStatus.Completed;
}
public void Start(JobScheduler? scheduler = null)
=> (scheduler ?? JobScheduler.Current).QueueJob(this);
public static Job Run(Action work)
{
var job = new Job(work);
job.Start();
return job;
}
}
public enum JobStatus
{
Created,
Scheduled,
Running,
Completed
}
这里也定义了同Task一样的静态Run方法，使用方式也与Task类似
Job.Run(() => Console.WriteLine($"Job1, thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"));
作为对比，使用Task时的写法如下，多了await关键字，后文会讨论。
await Task.Run(()=>() => Console.WriteLine($"Task1, thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"));
调用Job.Run方法时，会基于给定的Action创建一个Job，然后执行job.Start(), 但Job没有立即开始执行，而是通过QueueJob方法提交给了调度器，由调度器来决定Job何时执行，在Job真正被执行时会调用其Invoke方法，此时给定的Action就会被执行了，同时会对应修改Job的状态，从Running到Completed。简单来说，.net的Task的基本工作过程与这个粗糙的Job一样，由此可见，Task/Job代表一项具有某种状态的操作。
基于线程池的调度
但Task/Job的执行依赖与调度器，这里用JobScheduler来模拟，.net默认使用基于线程池的调度策略，我们也模拟实现一个ThreadPoolJobScheduler
首先看下JobScheduler，作为抽象基类，其QueueJob方法将有具体的某个调度器（ThreadPoolJobScheduler）来实现:
public abstract class JobScheduler
{
public abstract void QueueJob(Job job);
public static JobScheduler Current { get; set; } = new ThreadPoolJobScheduler();
}
ThreadPoolJobScheduler实现的QueueJob如下：
public class ThreadPoolJobScheduler : JobScheduler
{
public override void QueueJob(Job job)
{
job.Status = JobStatus.Scheduled;
var executionContext = ExecutionContext.Capture();
ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ => ExecutionContext.Run(executionContext!,
_ => job.Invoke(), null));
}
}
ThreadPoolJobScheduler会将Job提交给线程池，并将Job状态设置为Scheduled。
使用指定线程进行调度
JobScheduler的Current属性默认设置为基于线程的调度，如果有其它调度器也可以更换，但为什么要更换呢？这要从基于线程的调度的局限说起，对于一些具有较高优先级的任务，采用这个策略可能会无法满足需求，比如当线程都忙的时候，新的任务可能迟迟无法被执行。对于这种情况，.net可以通过设置TaskCreationOptions.LongRunning来解决，解析来先用自定义的调度器来解决这个问题：
public class DedicatedThreadJobScheduler : JobScheduler
{
private readonly BlockingCollection<Job> _queues=new();
private readonly Thread[] _threads;
public DedicatedThreadJobScheduler(int threadCount)
{
_threads=new Thread[threadCount];
for(int index=0; index< threadCount; index++)
{
_threads[index] =new Thread(Invoke);
}
Array.ForEach(_threads, thread=>thread.Start());
void Invoke(object? state){
while(true){
_queues.Take().Invoke();
}
}
}
public override void QueueJob(Job job)
{
_queues.Add(job);
}
}
在启动DedicatedThreadJobScheduler时，会启动指定数量的线程，这些线程会不停地从队列中取出任务并执行。
接下来看看.net的TaskCreationOptions.LongRunning怎么用：
await Task.Factory.StartNew(LongRunningMethod, TaskCreationOptions.LongRunning);
static void LongRunningMethod()
{
// Simulate a long-running operation
Console.WriteLine("Long-running task started on thread {0}.", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
Thread.Sleep(10000);
Console.WriteLine("Long-running task finished on thread {0}.", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}
任务顺序的编排
在使用Task时，经常会使用await关键字，来控制多个异步任务之间的顺序，await实际上是语法糖，在了解await之前，先来看看最基本的ContinueWith方法。
var taskA = Task.Run(() => DateTime.Now);
var taskB = taskA.ContinueWith(time => Console.WriteLine(time.Result));
await taskB;
模仿Task，我们给Job也添加ContinueWith方法。
public class Job
{
private readonly Action _work;
private Job? _continue;
public Job(Action work) => _work = work;
public JobStatus Status { get; internal set; }
internal protected virtual void Invoke()
{
Status = JobStatus.Running;
_work();
Status = JobStatus.Completed;
_continue?.Start();
}
public void Start(JobScheduler? scheduler = null)
=> (scheduler ?? JobScheduler.Current).QueueJob(this);
public static Job Run(Action work)
{
var job = new Job(work);
job.Start();
return job;
}
public Job ContinueWith(Action<Job> tobeContinued)
{
if (_continue == null)
{
var job = new Job(() => tobeContinued(this));
_continue = job;
}
else
{
_continue.ContinueWith(tobeContinued);
}
return this;
}
}
这个ContinueWith方法会将下一个待执行的Job放在_continue，这样多个顺序执行的Job就会构成一个链表。
在当前Job的Invoke方法执行结束时，会触发下一个Job被调度。
使用示例：
Job.Run(() =>
{
Thread.Sleep(1000);
Console.WriteLine("11");
}).ContinueWith(_ =>
{
Thread.Sleep(1000);
Console.WriteLine("12");
});
进一步使用await关键字来控制
要像Task一样使用await，需要Job支持有GetAwaiter方法。任何一个类型，只要有了这个GetAwaiter方法，就可以对其使用await关键字了。
c#的Task类中可以找到GetAwaiter
public TaskAwaiter GetAwaiter();
然后TaskAwaiter继承了ICriticalNotifyCompletion接口
public readonly struct TaskAwaiter<TResult> : System.Runtime.CompilerServices.ICriticalNotifyCompletion
照猫画虎，也为Job添加一个最简单的JobAwaiter
public class Job
{
...
public JobAwaiter GetAwaiter() => new(this);
}
JobAwaiter的定义如下：
public struct JobAwaiter : ICriticalNotifyCompletion
{
private readonly Job _job;
public readonly bool IsCompleted => _job.Status == JobStatus.Completed;
public JobAwaiter(Job job)
{
_job = job;
if (job.Status == JobStatus.Created)
{
job.Start();
}
}
public void GetResult() { }
public void OnCompleted(Action continuation)
{
_job.ContinueWith(_ => continuation());
}
public void UnsafeOnCompleted(Action continuation)
=> OnCompleted(continuation);
}
添加了await后，前面的代码也可以这样写：
await F1();
await F2();
static Job F1() => new Job(() =>
{
Thread.Sleep(1000);
Console.WriteLine("11");
});
static Job F2() => new Job(() =>
{
Thread.Sleep(1000);
Console.WriteLine("12");
});
总结
回顾开头的两个问题，现在可以尝试给出答案了。
- Task是什么，Task是一种有状态的操作（Created,Scheduled,Running,Completed），是对耗时操作的抽象，就像现实中的一项任务一样，它的执行需要相对较长的时间，它也有创建（Created）,安排（Scheduled）,执行（Running）,完成（Completed）的基本过程。任务完成当然需要拿到结果的，这里的Job比较简单，没有模拟具体的结果；
- Task是如何被调度的，默认采用基于线程池的调度，即创建好Task后，由线程池中的空闲线程执行，具体什么时候执行、由哪个线程执行，开发者是不用关心的，在具体执行过程中，
但由于.net全局线程池的局限，对于一些特殊场景无法满足时（比如需要立即执行Task），此时可以通过TaskCreationOptions更改调度行为；
另外，await是语法糖，它背后的实现是基于GetAwaiter，由其返回ICriticalNotifyCompletion接口的实现，并对ContinueWith做了封装。
