C#异步的世界【上】

发布时间：2020-12-15 04:44:25 所属栏目：百科来源：网络整理

导读：新进阶的程序员可能对async、await用得比较多，却对之前的异步了解甚少。本人就是此类，因此打算回顾学习下异步的进化史。? APM APM 异步编程模型，Asynchronous Programming Model 早在C#1的时候就有了APM。虽然不是很熟悉，但是多少还是见过的。就是那些类

新进阶的程序员可能对async、await用得比较多，却对之前的异步了解甚少。本人就是此类，因此打算回顾学习下异步的进化史。?

APM

APM 异步编程模型，Asynchronous Programming Model

早在C#1的时候就有了APM。虽然不是很熟悉，但是多少还是见过的。就是那些类是BeginXXX和EndXXX的方法，且BeginXXX返回值是IAsyncResult接口。

在正式写APM示例之前我们先给出一段同步代码：

button1_Click( +

</span><span style="color: #0000ff;"&gt;var</span> request = WebRequest.Create(<span style="color: #800000;"&gt;"</span><span style="color: #800000;"&gt;https://github.com/</span><span style="color: #800000;"&gt;"</span><span style="color: #000000;"&gt;);<span style="color: #008000;"&gt;//为了更好的演示效果，我们使用网速比较慢的外网</span>
request.GetResponse();</span><span style="color: #008000;"&gt;//</span><span style="color: #008000;"&gt;发送请求    </span>

Debug.WriteLine("【Debug】线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
label1.Text = "执行完毕！";
}

【说明】为了更好的演示异步效果，这里我们使用winform程序来做示例。

【效果图】

看图得知：

我们在执行方法的时候页面出现了“假死”，拖不动了。
我们看到打印结果，方法调用前和调用后线程ID都是9（也就是同一个线程）

下面我们再来演示对应的异步方法：（）

button2_Click( Debug.WriteLine( +

</span><span style="color: #0000ff;"&gt;var</span> request = WebRequest.Create(<span style="color: #800000;"&gt;"</span><span style="color: #800000;"&gt;https://github.com/</span><span style="color: #800000;"&gt;"</span><span style="color: #000000;"&gt;);
request.BeginGetResponse(</span><span style="color: #0000ff;"&gt;new</span> AsyncCallback(t =><span style="color: #008000;"&gt;//执行完成后的回调</span><span style="color: #000000;"&gt;
{
    </span><span style="color: #0000ff;"&gt;var</span> response = request.EndGetResponse(t);
    <span style="color: #0000ff;"&gt;var</span> stream = response.GetResponseStream();<span style="color: #008000;"&gt;//</span><span style="color: #008000;"&gt;获取返回数据流 </span>

    <span style="color: #0000ff;"&gt;using</span> (StreamReader reader = <span style="color: #0000ff;"&gt;new</span><span style="color: #000000;"&gt; StreamReader(stream))
    {
        StringBuilder sb </span>= <span style="color: #0000ff;"&gt;new</span><span style="color: #000000;"&gt; StringBuilder();
        </span><span style="color: #0000ff;"&gt;while</span> (!<span style="color: #000000;"&gt;reader.EndOfStream)
        {
            </span><span style="color: #0000ff;"&gt;var</span> content =<span style="color: #000000;"&gt; reader.ReadLine();
            sb.Append(content);
        }
        Debug.WriteLine(</span><span style="color: #800000;"&gt;"</span><span style="color: #800000;"&gt;【Debug】</span><span style="color: #800000;"&gt;"</span> + sb.ToString().Trim().Substring(<span style="color: #800080;"&gt;0</span>,<span style="color: #800080;"&gt;100</span>) + <span style="color: #800000;"&gt;"</span><span style="color: #800000;"&gt;...</span><span style="color: #800000;"&gt;"</span>);<span style="color: #008000;"&gt;//</span><span style="color: #008000;"&gt;只取返回内容的前100个字符 </span>
        Debug.WriteLine(<span style="color: #800000;"&gt;"</span><span style="color: #800000;"&gt;【Debug】异步线程ID:</span><span style="color: #800000;"&gt;"</span> +<span style="color: #000000;"&gt; Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
        label1.Invoke((Action)(() </span>=> { label1.Text = <span style="color: #800000;"&gt;"</span><span style="color: #800000;"&gt;执行完毕！</span><span style="color: #800000;"&gt;"</span>; }));<span style="color: #008000;"&gt;//</span><span style="color: #008000;"&gt;这里跨线程访问UI需要做处理</span>

}
}),null);

Debug.WriteLine(</span><span style="color: #800000;"&gt;"</span><span style="color: #800000;"&gt;【Debug】主线程ID:</span><span style="color: #800000;"&gt;"</span> +<span style="color: #000000;"&gt; Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

}

【效果图】

农码一生

看图得知：

启用异步方法并没有是UI界面卡死
异步方法启动了另外一个ID为12的线程

上面代码执行顺序：

前面我们说过，APM的BebinXXX必须返回IAsyncResult接口。那么接下来我们分析IAsyncResult接口：

首先我们看：

确实返回的是IAsyncResult接口。那IAsyncResult到底长的什么样子？：

并没有想象中的那么复杂嘛。我们是否可以尝试这实现这个接口，然后显示自己的异步方法呢？

首先定一个类MyWebRequest，然后继承IAsyncResult：

{

</span><span style="color: #0000ff;"&gt;public</span><span style="color: #000000;"&gt; WaitHandle AsyncWaitHandle
{
    </span><span style="color: #0000ff;"&gt;get</span> { <span style="color: #0000ff;"&gt;throw</span> <span style="color: #0000ff;"&gt;new</span><span style="color: #000000;"&gt; NotImplementedException(); }
}

</span><span style="color: #0000ff;"&gt;public</span> <span style="color: #0000ff;"&gt;bool</span><span style="color: #000000;"&gt; CompletedSynchronously
{
    </span><span style="color: #0000ff;"&gt;get</span> { <span style="color: #0000ff;"&gt;throw</span> <span style="color: #0000ff;"&gt;new</span><span style="color: #000000;"&gt; NotImplementedException(); }
}

</span><span style="color: #0000ff;"&gt;public</span> <span style="color: #0000ff;"&gt;bool</span><span style="color: #000000;"&gt; IsCompleted
{
    </span><span style="color: #0000ff;"&gt;get</span> { <span style="color: #0000ff;"&gt;throw</span> <span style="color: #0000ff;"&gt;new</span><span style="color: #000000;"&gt; NotImplementedException(); }
}

}

这样肯定是不能用的，起码也得有个存回调函数的属性吧，下面我们稍微改造下：

然后我们可以自定义APM异步模型了：

asyncResult = MyWebRequest(callback, request = WebRequest.Create( Thread(() => (StreamReader sr = str =

}).Start();
</span><span style="color: #0000ff;"&gt;return</span> asyncResult;<span style="color: #008000;"&gt;//返</span><span style="color: #008000;"&gt;回一个IAsyncResult</span>

}

public string MyEndXX(IAsyncResult asyncResult)
{
MyWebRequest result = asyncResult as MyWebRequest;
return result.Result;
}

调用如下:

button4_Click( + AsyncCallback(t => result = + result.Trim().Substring(,) + + +

效果图：

农码一生

我们看到自己实现的效果基本上和系统提供的差不多。

启用异步方法并没有是UI界面卡死
异步方法启动了另外一个ID为11的线程

【总结】

个人觉得APM异步模式就是启用另外一个线程执行耗时任务，然后通过回调函数执行后续操作。

APM还可以通过其他方式获取值，如：

(! { Thread.Sleep( stream2 = request.EndGetResponse(asyncResult).GetResponseStream();

或

stream2 = request.EndGetResponse(asyncResult).GetResponseStream();

补充：如果是普通方法，我们也可以通过委托异步：

func = Func<,>(t => + t +

 </span><span style="color: #0000ff;"&gt;var</span> asyncResult = func.BeginInvoke(<span style="color: #800000;"&gt;"</span><span style="color: #800000;"&gt;张三</span><span style="color: #800000;"&gt;"</span>,t =><span style="color: #000000;"&gt;
 {
     </span><span style="color: #0000ff;"&gt;string</span> str =<span style="color: #000000;"&gt; func.EndInvoke(t);
     Debug.WriteLine(str);
 },</span><span style="color: #0000ff;"&gt;null</span><span style="color: #000000;"&gt;);

}

EAP

EAP 基于事件的异步模式，Event-based Asynchronous Pattern

此模式在C#2的时候随之而来。

先来看个EAP的例子：

button3_Click( +

 BackgroundWorker worker </span>= <span style="color: #0000ff;"&gt;new</span><span style="color: #000000;"&gt; BackgroundWorker();
 worker.DoWork </span>+= <span style="color: #0000ff;"&gt;new</span> DoWorkEventHandler((s1,s2) =><span style="color: #000000;"&gt;
 {
     Thread.Sleep(</span><span style="color: #800080;"&gt;2000</span><span style="color: #000000;"&gt;);
     Debug.WriteLine(</span><span style="color: #800000;"&gt;"</span><span style="color: #800000;"&gt;【Debug】异步线程ID:</span><span style="color: #800000;"&gt;"</span> +<span style="color: #000000;"&gt; Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
 });</span><span style="color: #008000;"&gt;//</span><span style="color: #008000;"&gt;注册事件来实现异步</span>
 worker.RunWorkerAsync(<span style="color: #0000ff;"&gt;this</span><span style="color: #000000;"&gt;);
 Debug.WriteLine(</span><span style="color: #800000;"&gt;"</span><span style="color: #800000;"&gt;【Debug】主线程ID:</span><span style="color: #800000;"&gt;"</span> +<span style="color: #000000;"&gt; Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

}

【效果图】

【特征】

通过事件的方式注册回调函数
通过 XXXAsync方法来执行异步调用

例子很简单，但是和APM模式相比，是不是没有那么清晰透明。为什么可以这样实现？事件的注册是在干嘛？为什么执行RunWorkerAsync会触发注册的函数？

感觉自己又想多了...

我们试着反编译看看源码：

?只想说，这么玩，有意思吗？

TAP

TAP 基于任务的异步模式，Task-based Asynchronous Pattern

到目前为止，我们觉得上面的APM、EAP异步模式好用吗？好像没有发现什么问题。再仔细想想...如果我们有多个异步方法需要按先后顺序执行，并且需要得到所有返回值。

首先定义三个委托：

Func<,> Func<,>(t => + Func<,> Func<,>(t => + Func<,> Func<,>(t => +

然后按照一定顺序执行：

str1 = .Empty,str2 = .Empty,str3 = = ,asyncResult2 = ,asyncResult3 = = func1().BeginInvoke(,t =>= += func2().BeginInvoke(,a =>= += func3().BeginInvoke(,s =>= +

asyncResult1.AsyncWaitHandle.WaitOne();
asyncResult2.AsyncWaitHandle.WaitOne();
asyncResult3.AsyncWaitHandle.WaitOne();
Debug.WriteLine(str1 </span>+ str2 +<span style="color: #000000;"&gt; str3);

}?

除了难看、难读一点好像也没什么。不过真的是这样吗？

asyncResult2是null?由此可见在完成第一个异步操作之前没有对asyncResult2进行赋值，asyncResult2执行异步等待的时候报异常。那么如此我们就无法控制三个异步函数，按照一定顺序执行完成后再拿到返回值。

是的，现在该我们的TAP登场了。

只需要调用Task类的静态方法Run，即可轻轻松松使用异步。

获取返回值：

task1 = Task<>.Run(() => + value = task1.Result; Console.WriteLine( + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

现在我们处理上面多个异步按序执行：

Console.WriteLine( + str1 = .Empty,str3 = task1 = Task.Run(() =>= +=>= +=>= +Thread.Sleep(2500);//其他逻辑代码

task1.Wait();

Debug.WriteLine(str1 + str2 + str3);
Console.WriteLine("【Debug】主线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

[效果图]

我们看到，结果都得到了，且是异步按序执行的。且代码的逻辑思路非常清晰。

延伸思考

WaitOne完成等待的原理
异步为什么会提升性能
线程的使用数量和CPU的使用率有必然的联系吗

问题1：WaitOne完成等待的原理

在此之前，我们先来简单的了解下多线程信号控制AutoResetEvent类。

_asyncWaitHandle = AutoResetEvent(

此代码会在??的地方会一直等待下去。除非有另外一个线程执行??的set方法。

_asyncWaitHandle = AutoResetEvent(

如此，到了??就可以直接执行下去。没有有任何等待。

现在我们对APM 异步编程模型中的??等待是不是知道了点什么呢。我们回头来实现之前自定义异步方法的异步等待。

MyWebRequest(AsyncCallback asyncCallback,= } SetComplete(== (_asyncCallback != Result { ; {

    <span style="color: #ff0000;"&gt;get { return</span><span style="color: #000000;"&gt;<span style="color: #ff0000;"&gt; _asyncWaitHandle; }</span>
}
</span><span style="color: #008000;"&gt;//</span><span style="color: #008000;"&gt;获取一个值，该值指示异步操作是否同步完成。</span>
<span style="color: #0000ff;"&gt;public</span> <span style="color: #0000ff;"&gt;bool</span><span style="color: #000000;"&gt; CompletedSynchronously
{
    </span><span style="color: #0000ff;"&gt;get</span> { <span style="color: #0000ff;"&gt;throw</span> <span style="color: #0000ff;"&gt;new</span><span style="color: #000000;"&gt; NotImplementedException(); }
}
</span><span style="color: #008000;"&gt;//</span><span style="color: #008000;"&gt;获取一个值，该值指示异步操作是否已完成。</span>
<span style="color: #0000ff;"&gt;public</span> <span style="color: #0000ff;"&gt;bool</span><span style="color: #000000;"&gt; IsCompleted
{
    </span><span style="color: #0000ff;"&gt;get</span><span style="color: #000000;"&gt;;
    </span><span style="color: #0000ff;"&gt;private</span> <span style="color: #0000ff;"&gt;set</span><span style="color: #000000;"&gt;;
}

}

红色代码就是新增的异步等待。

【执行步骤】

问题2：异步为什么会提升性能

比如同步代码：

Thread.Sleep(); Thread.Sleep();

这个代码需要20秒。

如果是异步：

task = Task.Run(() =>); ); task.Wait();

如此就只要10秒了。这样就节约了10秒。

如果是：

task = Task.Run(() =>);

异步执行中间没有耗时的代码那么这样的异步将是没有意思的。

或者：

task = Task.Run(() =>); );

把耗时任务放在异步等待后，那这样的代码也是不会有性能提升的。

还有一种情况：

如果是单核CPU进行高密集运算操作，那么异步也是没有意义的。

问题3：线程的使用数量和CPU的使用率有必然的联系吗

答案是否。

还是拿单核做假设。

情况1：

num = (+= Random().Next(-, }

单核下，我们只启动一个线程，就可以让你CPU爆满。

启动八次，八进程CPU基本爆满。

情况2：

一千多个线程，而CPU的使用率竟然是0。由此，我们得到了之前的结论，线程的使用数量和CPU的使用率没有必然的联系。

虽然如此，但是也不能毫无节制的开启线程。因为：

开启一个新的线程的过程是比较耗资源的。
多线程的切换也是需要时间的。
每个线程占用了一定的内存保存线程上下文信息。

demo：

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对于异步编程了解不深，文中极有可能多处错误描述和观点。

感谢广大园友的指正。

本着相互讨论的目的，绝无想要误导大家的意思。

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（编辑：李大同）

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