C#学习之C#多线程和异步之Task和async/await详解
小职 2021-02-22 来源 :转载自:CSharp编程大全 阅读 29 评论 0

摘要:本文主要向大家介绍了C#学习之C#多线程和异步之Task和async/await详解,通过具体的内容向大家展现,希望对大家对C#的学习有所帮助。

本文主要向大家介绍了C#学习之C#多线程和异步之Task和async/await详解,通过具体的内容向大家展现,希望对大家对C#的学习有所帮助。

C#学习之C#多线程和异步之Task和async/await详解

一、什么是异步

 

同步和异步主要用于修饰方法。当一个方法被调用时,调用者需要等待该方法执行完毕并返回才能继续执行,我们称这个方法是同步方法;当一个方法被调用时立即返回,并获取一个线程执行该方法内部的业务,调用者不用等待该方法执行完毕,我们称这个方法为异步方法。

 

异步的好处在于非阻塞(调用线程不会暂停执行去等待子线程完成),因此我们把一些不需要立即使用结果、较耗时的任务设为异步执行,可以提高程序的运行效率。net4.0在ThreadPool的基础上推出了Task类,微软极力推荐使用Task来执行异步任务,现在C#类库中的异步方法基本都用到了Task;net5.0推出了async/await,让异步编程更为方便。本篇主要介绍Task、async/await相关的内容,其他异步操作的方式会在下一篇介绍。

 

二、Task介绍

 

Task是在ThreadPool的基础上推出的,我们简单了解下ThreadPool。ThreadPool中有若干数量的线程,如果有任务需要处理时,会从线程池中获取一个空闲的线程来执行任务,任务执行完毕后线程不会销毁,而是被线程池回收以供后续任务使用。当线程池中所有的线程都在忙碌时,又有新任务要处理时,线程池才会新建一个线程来处理该任务,如果线程数量达到设置的最大值,任务会排队,等待其他任务释放线程后再执行。线程池能减少线程的创建,节省开销,看一个ThreadPool的栗子吧

 

static void Main(string[] args)

        {

            for (int i = 1; i <=10; i++)

            {

                //ThreadPool执行任务

                ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback((obj) => {

                    Console.WriteLine($"第{obj}个执行任务");

                }),i);

            }

            Console.ReadKey();

        }

上边的代码通过ThreadPool执行了10个任务,执行结果为:

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ThreadPool相对于Thread来说可以减少线程的创建,有效减小系统开销;但是ThreadPool不能控制线程的执行顺序,我们也不能获取线程池内线程取消/异常/完成的通知,即我们不能有效监控和控制线程池中的线程。

 

1 Task创建和运行

 

我们知道了ThreadPool的弊端:我们不能控制线程池中线程的执行顺序,也不能获取线程池内线程取消/异常/完成的通知。net4.0在ThreadPool的基础上推出了Task,Task拥有线程池的优点,同时也解决了使用线程池不易控制的弊端。

 

首先看一下怎么去创建并运行一个Task,Task的创建和执行方式有如下三种:

 

static void Main(string[] args)

        {

            //1.new方式实例化一个Task,需要通过Start方法启动

            Task task = new Task(() =>

            {

                Thread.Sleep(100);

                Console.WriteLine($"hello, task1的线程ID为{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");

            });

            task.Start();

 

            //2.Task.Factory.StartNew(Action action)创建和启动一个Task

            Task task2 = Task.Factory.StartNew(() =>

              {

                  Thread.Sleep(100);

                  Console.WriteLine($"hello, task2的线程ID为{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");

              });

 

            //3.Task.Run(Action action)将任务放在线程池队列,返回并启动一个Task

            Task task3 = Task.Run(() =>

              {

                  Thread.Sleep(100);

                  Console.WriteLine($"hello, task3的线程ID为{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");

              });

            Console.WriteLine("执行主线程!");

            Console.ReadKey();

        }

执行结果如下:

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我们看到先打印"执行主线程",然后再打印各个任务,说明了Task不会阻塞主线程。上边的栗子Task都没有返回值,我们也可以创建有返回值的Task ,用法和没有返回值的基本一致,我们简单修改一下上边的栗子,代码如下:

 

static void Main(string[] args)

        {

            ////1.new方式实例化一个Task,需要通过Start方法启动

            Task<string> task = new Task<string>(() =>

            {

                return $"hello, task1的ID为{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}";

            });

            task.Start();

 

            ////2.Task.Factory.StartNew(Func func)创建和启动一个Task

           Task<string> task2 =Task.Factory.StartNew<string>(() =>

            {

                return $"hello, task2的ID为{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}";

            });

 

            ////3.Task.Run(Func func)将任务放在线程池队列,返回并启动一个Task

           Task<string> task3= Task.Run<string>(() =>

            {

                return $"hello, task3的ID为{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}";

            });

 

            Console.WriteLine("执行主线程!");

            Console.WriteLine(task.Result);

            Console.WriteLine(task2.Result);

            Console.WriteLine(task3.Result);

            Console.ReadKey();

        }

注意task.Resut获取结果时会阻塞线程,即如果task没有执行完成,会等待task执行完成获取到Result,然后再执行后边的代码,程序运行结果如下:

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上边的所有栗子中Task的执行都是异步的,不会阻塞主线程。有些场景下我们想让Task同步执行怎么办呢?Task提供了 task.RunSynchronously()用于同步执行Task任务,代码如下:

 

static void Main(string[] args)

        {

            Task task = new Task(() =>

            {

                Thread.Sleep(100);

                Console.WriteLine("执行Task结束!");

            });

            //同步执行,task会阻塞主线程

            task.RunSynchronously();

            Console.WriteLine("执行主线程结束!");

            Console.ReadKey();

        }

执行结果如下:

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2 Task的阻塞方法(Wait/WaitAll/WaitAny)

 

1 Thread阻塞线程的方法

 

使用Thread时,我们知道用thread.Join()方法即可阻塞主线程。看一个例子:

 

static void Main(string[] args)

        {

            Thread th1 = new Thread(() => {

                Thread.Sleep(500);

                Console.WriteLine("线程1执行完毕!");

            });

            th1.Start();

            Thread th2 = new Thread(() => {

                Thread.Sleep(1000);

                Console.WriteLine("线程2执行完毕!");

            });

            th2.Start();

            //阻塞主线程

            th1.Join();

            th2.Join();

            Console.WriteLine("主线程执行完毕!");

            Console.ReadKey();

        }

如果注释掉两个Join,执行结果是:先打印【主线程执行完毕】,而添加两个Join方法后执行结果如下,实现了线程阻塞:

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2 Task的Wait/WaitAny/WaitAll方法

 

Thread的Join方法可以阻塞调用线程,但是有一些弊端:①如果我们要实现很多线程的阻塞时,每个线程都要调用一次Join方法;②如果我们想让所有的线程执行完毕(或者任一线程执行完毕)时,立即解除阻塞,使用Join方法不容易实现。Task提供了 Wait/WaitAny/WaitAll 方法,可以更方便地控制线程阻塞。

 

task.Wait() 表示等待task执行完毕,功能类似于thead.Join(); Task.WaitAll(Task[] tasks) 表示只有所有的task都执行完成了再解除阻塞; Task.WaitAny(Task[] tasks) 表示只要有一个task执行完毕就解除阻塞,看一个栗子:

 

static void Main(string[] args)

        {

            Task task1 = new Task(() => {

                Thread.Sleep(500);

                Console.WriteLine("线程1执行完毕!");

            });

            task1.Start();

            Task task2 = new Task(() => {

                Thread.Sleep(1000);

                Console.WriteLine("线程2执行完毕!");

            });

            task2.Start();

            //阻塞主线程。task1,task2都执行完毕再执行主线程

 //执行【task1.Wait();task2.Wait();】可以实现相同功能

            Task.WaitAll(new Task[]{ task1,task2});

            Console.WriteLine("主线程执行完毕!");

            Console.ReadKey();

        }

执行结果如下:

 

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如果将栗子中的WaitAll换成WaitAny,那么任一task执行完毕就会解除线程阻塞,执行结果是:先打印【线程1执行完毕】,然后打印【主线程执行完毕】,最后打印【线程2执行完毕】

 

3 Task的延续操作(WhenAny/WhenAll/ContinueWith)

 

上边的Wait/WaitAny/WaitAll方法返回值为void,这些方法单纯的实现阻塞线程。我们现在想让所有task执行完毕(或者任一task执行完毕)后,开始执行后续操作,怎么实现呢?这时就可以用到WhenAny/WhenAll方法了,这些方法执行完成返回一个task实例。 task.WhenAll(Task[] tasks) 表示所有的task都执行完毕后再去执行后续的操作, task.WhenAny(Task[] tasks) 表示任一task执行完毕后就开始执行后续操作。看一个栗子:

 

static void Main(string[] args)

        {

            Task task1 = new Task(() => {

                Thread.Sleep(500);

                Console.WriteLine("线程1执行完毕!");

            });

            task1.Start();

            Task task2 = new Task(() => {

                Thread.Sleep(1000);

                Console.WriteLine("线程2执行完毕!");

            });

            task2.Start();

            //task1,task2执行完了后执行后续操作

            Task.WhenAll(task1, task2).ContinueWith((t) => {

                Thread.Sleep(100);

                Console.WriteLine("执行后续操作完毕!");

            });

 

            Console.WriteLine("主线程执行完毕!");

            Console.ReadKey();

        }

执行结果如下,我们看到WhenAll/WhenAny方法不会阻塞主线程,当使用WhenAll方法时所有的task都执行完毕才会执行后续操作;如果把栗子中的WhenAll替换成WhenAny,则只要有一个线程执行完毕就会开始执行后续操作,这里不再演示。

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上边的栗子也可以通过 Task.Factory.ContinueWhenAll(Task[] tasks, Action continuationAction) 和 Task.Factory.ContinueWhenAny(Task[] tasks, Action continuationAction) 来实现 ,修改上边栗子代码如下,执行结果不变。

 

static void Main(string[] args)

        {

            Task task1 = new Task(() => {

                Thread.Sleep(500);

                Console.WriteLine("线程1执行完毕!");

            });

            task1.Start();

            Task task2 = new Task(() => {

                Thread.Sleep(1000);

                Console.WriteLine("线程2执行完毕!");

            });

            task2.Start();

            //通过TaskFactroy实现

            Task.Factory.ContinueWhenAll(new Task[] { task1, task2 }, (t) =>

            {

                Thread.Sleep(100);

                Console.WriteLine("执行后续操作");

            });

 

            Console.WriteLine("主线程执行完毕!");

            Console.ReadKey();

        }

4 Task的任务取消(CancellationTokenSource)

 

1 Thread取消任务执行

 

在Task前我们执行任务采用的是Thread,Thread怎么取消任务呢?一般流程是:设置一个变量来控制任务是否停止,如设置一个变量isStop,然后线程轮询查看isStop,如果isStop为true就停止,代码如下:

 

static void Main(string[] args)

        {

            bool isStop = false;

            int index = 0;

            //开启一个线程执行任务

            Thread th1 = new Thread(() =>

              {

                  while (!isStop)

                  {

                      Thread.Sleep(1000);

                      Console.WriteLine($"第{++index}次执行,线程运行中...");

                  }

              });

            th1.Start();

            //五秒后取消任务执行

            Thread.Sleep(5000);

            isStop = true;

            Console.ReadKey();

        }

2 Task取消任务执行

 

Task中有一个专门的类 CancellationTokenSource 来取消任务执行,还是使用上边的例子,我们修改代码如下,程序运行的效果不变。

 

static void Main(string[] args)

        {

            CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();

            int index = 0;

            //开启一个task执行任务

            Task task1 = new Task(() =>

              {

                  while (!source.IsCancellationRequested)

                  {

                      Thread.Sleep(1000);

                      Console.WriteLine($"第{++index}次执行,线程运行中...");

                  }

              });

            task1.Start();

            //五秒后取消任务执行

            Thread.Sleep(5000);

            //source.Cancel()方法请求取消任务,IsCancellationRequested会变成true

            source.Cancel();

            Console.ReadKey();

        }

CancellationTokenSource的功能不仅仅是取消任务执行,我们可以使用 source.CancelAfter(5000) 实现5秒后自动取消任务,也可以通过 source.Token.Register(Action action) 注册取消任务触发的回调函数,即任务被取消时注册的action会被执行。看一个栗子:

 

static void Main(string[] args)

        {

            CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();

            //注册任务取消的事件

            source.Token.Register(() =>

            {

                Console.WriteLine("任务被取消后执行xx操作!");

            });

 

            int index = 0;

            //开启一个task执行任务

            Task task1 = new Task(() =>

              {

                  while (!source.IsCancellationRequested)

                  {

                      Thread.Sleep(1000);

                      Console.WriteLine($"第{++index}次执行,线程运行中...");

                  }

              });

            task1.Start();

            //延时取消,效果等同于Thread.Sleep(5000);source.Cancel();

            source.CancelAfter(5000);

            Console.ReadKey();

        }

执行结果如下,第5次执行在取消回调后打印,这是因为,执行取消的时候第5次任务已经通过了while()判断,任务已经执行中了:

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最后看上一篇跨线程的栗子,点击按钮启动一个任务,给tetxtbox赋值,我们把Thread改成Task,代码如下:

 

public partial class Form1 : Form

    {

        public Form1()

        {

            InitializeComponent();

        }

 

        private void mySetValueBtn_Click(object sender, EventArgs e)

        {

            Task.Run(() =>

            {

                Action<int> setValue = (i) => { myTxtbox.Text = i.ToString(); };

                for (int i = 0; i < 1000000; i++)

                {

                    myTxtbox.Invoke(setValue,i);

                }

            });

        }

    }

运行界面如下,赋值的task不会阻塞UI线程:

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三、异步方法(async/await)

 

在C#5.0中出现的 async和await ,让异步编程变得更简单。我们看一个获取文件内容的栗子:

 

class Program

    {

        static void Main(string[] args)

        {

            string content = GetContentAsync(Environment.CurrentDirectory + @"/test.txt").Result;

            //调用同步方法

            //string content = GetContent(Environment.CurrentDirectory + @"/test.txt");

            Console.WriteLine(content);

            Console.ReadKey();

        }

        //异步读取文件内容

        async static Task<string> GetContentAsync(string filename)

        {

             

            FileStream fs = new FileStream(filename, FileMode.Open);

            var bytes = new byte[fs.Length];

            //ReadAync方法异步读取内容,不阻塞线程

            Console.WriteLine("开始读取文件");

            int len = await fs.ReadAsync(bytes, 0, bytes.Length);

            string result = Encoding.UTF8.GetString(bytes);

            return result;

        }

        //同步读取文件内容

        static string GetContent(string filename)

        {

            FileStream fs = new FileStream(filename, FileMode.Open);

            var bytes = new byte[fs.Length];

            //Read方法同步读取内容,阻塞线程

            int len =  fs.Read(bytes, 0, bytes.Length);

            string result = Encoding.UTF8.GetString(bytes);

            return result;

        }

    }

test.txt内容是【hello world!】执行结果为:

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上边的栗子也写出了同步读取的方式,将main函数中的注释去掉即可同步读取文件内容。我们可以看到异步读取代码和同步读取代码基本一致。async/await让异步编码变得更简单,我们可以像写同步代码一样去写异步代码。注意一个小问题:异步方法中方法签名返回值为Task,代码中的返回值为T。上边栗子中GetContentAsync的签名返回值为Task,而代码中返回值为string。牢记这一细节对我们分析异步代码很有帮助。

 

异步方法签名的返回值有以下三种:

 

① Task:如果调用方法想通过调用异步方法获取一个T类型的返回值,那么签名必须为Task ;

 

② Task:如果调用方法不想通过异步方法获取一个值,仅仅想追踪异步方法的执行状态,那么我们可以设置异步方法签名的返回值为Task;

 

③ void:如果调用方法仅仅只是调用一下异步方法,不和异步方法做其他交互,我们可以设置异步方法签名的返回值为void,这种形式也叫做“调用并忘记”。

 

小结:到这里Task,async/await的简单使用已经基本结束了,一些高级特性等到工作遇到了再去研究。通过上边的介绍,我们知道async/await是基于Task的,而Task是对ThreadPool的封装改进,主要是为了更有效的控制线程池中的线程(ThreadPool中的线程,我们很难通过代码控制其执行顺序,任务延续和取消等等);ThreadPool基于Thread的,主要目的是减少Thread创建数量和管理Thread的成本。async/await Task是C#中更先进的,也是微软大力推广的特性,我们在开发中可以尝试使用Task来替代Thread/ThreadPool,处理本地IO和网络IO任务是尽量使用async/await来提高任务执行效率。



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