async & await 的前世今生

async 和 await 出现在C# 5.0之后,给并行编程带来了不少的方便,特别是当在MVC中的Action也变成async之后,有点开始什么都是async的味道了。但是这也给我们编程埋下了一些隐患,有时候可能会产生一些我们自己都不知道怎么产生的Bug,特别是如果连线程基础没有理解的情况下,更不知道如何去处理了。那今天我们就来好好看看这两兄弟和他们的叔叔(Task)爷爷(Thread)们到底有什么区别和特点,本文将会对Thread 到 Task 再到 .NET 4.5的 async和 await,这三种方式下的并行编程作一个概括性的介绍包括:开启线程,线程结果返回,线程中止,线程中的异常处理等。

内容索引

创建

这里面需要注意的是,创建Thread的实例之后,需要手动调用它的Start方法将其启动。但是对于Task来说,StartNew和Run的同时,既会创建新的线程,并且会立即启动它。

线程池

线程的创建是比较占用资源的一件事情,.NET 为我们提供了线程池来帮助我们创建和管理线程。Task是默认会直接使用线程池,但是Thread不会。如果我们不使用Task,又想用线程池的话,可以使用ThreadPool类。

传入参数

返回值

Thead是不能返回值的,但是作为更高级的Task当然要弥补一下这个功能。

共享数据

上面说了参数和返回值,我们来看一下线程之间共享数据的问题。

线程之间可以通过static变量来共享数据。

线程安全

我们先把上面的代码小小的调整一下,就知道什么是线程安全了。我们把Done方法中的两句话对换了一下位置 。

上面这种情况不会一直发生,但是如果你运气好的话,就会中奖了。因为第一个线程还没有来得及把_isDone设置成true,第二个线程就进来了,而这不是我们想要的结果,在多个线程下,结果不是我们的预期结果,这就是线程不安全。

要解决上面遇到的问题,我们就要用到锁。锁的类型有独占锁,互斥锁,以及读写锁等,我们这里就简单演示一下独占锁。

再我们加上锁之后,被锁住的代码在同一个时间内只允许一个线程访问,其它的线程会被阻塞,只有等到这个锁被释放之后其它的线程才能执行被锁住的代码。

Semaphore 信号量

我实在不知道这个单词应该怎么翻译,从官方的解释来看,我们可以这样理解。它可以控制对某一段代码或者对某个资源访问的线程的数量,超过这个数量之后,其它的线程就得等待,只有等现在有线程释放了之后,下面的线程才能访问。这个跟锁有相似的功能,只不过不是独占的,它允许一定数量的线程同时访问。

在最开始的时候,前3个排队之后就立即进入执行,但是4和5,只有等到有线程退出之后才可以执行。

异常处理

其它线程的异常,主线程可以捕获到么?

那么升级了的Task呢?

一个小例子认识async & await

await 的原形

await后的的执行顺序 

感谢 locus的指正, await 之后不会开启新的线程(await 从来不会开启新的线程),所以上面的图是有一点问题的。

await 不会开启新的线程,当前线程会一直往下走直到遇到真正的Async方法(比如说HttpClient.GetStringAsync),这个方法的内部会用Task.Run或者Task.Factory.StartNew 去开启线程。也就是如果方法不是.NET为我们提供的Async方法,我们需要自己创建Task,才会真正的去创建线程

我们再来看一下那张图:

  1. 进入主线程开始执行
  2. 调用async方法,返回一个Task,注意这个时候另外一个线程已经开始运行,也就是GetName里面的 Task 已经开始工作了
  3. 主线程继续往下走
  4. 第3步和第4步是同时进行的,主线程并没有挂起等待
  5. 如果另一个线程已经执行完毕,name.IsCompleted=true,主线程仍然不用挂起,直接拿结果就可以了。如果另一个线程还同有执行完毕, name.IsCompleted=false,那么主线程会挂起等待,直到返回结果为止。

只有async方法在调用前才能加await么?

答案很明显:await并不是针对于async的方法,而是针对async方法所返回给我们的Task,这也是为什么所有的async方法都必须返回给我们Task。所以我们同样可以在Task前面也加上await关键字,这样做实际上是告诉编译器我需要等这个Task的返回值或者等这个Task执行完毕之后才能继续往下走。

不用await关键字,如何确认Task执行完毕了?

Task.GetAwaiter()和await Task 的区别?

  • 加上await关键字之后,后面的代码会被挂起等待,直到task执行完毕有返回值的时候才会继续向下执行,这一段时间主线程会处于挂起状态。
  • GetAwaiter方法会返回一个awaitable的对象(继承了INotifyCompletion.OnCompleted方法)我们只是传递了一个委托进去,等task完成了就会执行这个委托,但是并不会影响主线程,下面的代码会立即执行。这也是为什么我们结果里面第一句话会是 “主线程执行完毕”!

Task如何让主线程挂起等待?

  上面的右边是属于没有挂起主线程的情况,和我们的await仍然有一点差别,那么在获取Task的结果前如何挂起主线程呢?

Task.GetAwait()方法会给我们返回一个awaitable的对象,通过调用这个对象的GetResult方法就会挂起主线程,当然也不是所有的情况都会挂起。还记得我们Task的特性么? 在一开始的时候就启动了另一个线程去执行这个Task,当我们调用它的结果的时候如果这个Task已经执行完毕,主线程是不用等待可以直接拿其结果的,如果没有执行完毕那主线程就得挂起等待了。

await 实质是在调用awaitable对象的GetResult方法

到此为止,await就真相大白了,欢迎点评。Enjoy Coding! :)

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