DotNet基础-异步编程

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.NET Framework 1.0 引进了 IAsyncResult 模式，也称为 Asynchronous Programming Model (APM)或 Begin/End 模式。 .NET Framework 2.0 增加了 Event-based Asynchronous Pattern (EAP)。 从.NET Framework 4 开始， Task-based Asynchronous Pattern (TAP) 取代了 APM 和 EAP，但能够轻松构建从早期模式中迁移的例程。

APM异步编程模式下，callback是执行在另一个线程中，不能随易的去更新UI。EAP这种异步编程模式下，事件绑定的方法也是在调用的那个线程中执行的。也就是说解决了异步编程的时候UI交互的问题，而且是在同一个线程中执行。

APM,EAP模式请参考：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/asynchronous-programming-patterns/asynchronous-programming-model-apm

异步编程准则

异步编程的准则是确定所需执行的操作是I/O-Bound 还是 CPU-Bound。因为这会极大影响代码性能，并可能导致某些构造的误用。

  • 如果代码会 等待 某些内容，例如数据库中的数据或web资源等,则你的工作是 I/O-Bound。
  • 如果代码要执行开销巨大的计算，则你的工作是 CPU-Bound。

如果你的工作为 I/O-Bound，请使用 async 和 await（而不使用 Task.Run）。 不应使用任务并行库。
如果你的工作为 CPU-Bound，并且你重视响应能力，请使用 async 和 await，并在另一个线程上使用 Task.Run 生成工作。 如果该工作同时适用于并发和并行，则应考虑使用任务并行库。

基于任务的异步模式 (TAP)

基于任务的异步模式 (TAP) 以 System.Threading.Tasks.Task 命名空间中的 System.Threading.Tasks.Task<TResult> 和 System.Threading.Tasks 类型为基础，这些类型用于表示任意异步操作。 对于新的开发项目，建议采用 TAP 作为异步设计模式。

C# 5.0引入了2个新关键词：async和await。然而它大大简化了异步方法的编程。async和await关键字只是编译器功能。编译器会用Task类创建代码。

认识async和await

使用async和await关键词编写异步代码，具有与同步代码相当的结构和简单性，并且摒弃了异步编程的复杂结构。

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。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。

如果另一个线程已经执行完毕（即name.IsCompleted=true），主线程仍然不用挂起，直接可以拿结果。
如果另一个线程还没有执行完毕（即name.IsCompleted=false），那么主线程会挂起等待，直到返回结果为止。

解析async和await

异步（async）

使用async修饰符标记的方法称为异步方法，异步方法只可以具有以下返回类型：

  • 1.Task
  • 2.Task<TResult>
  • 3.void
  • 4.从C# 7.0开始，任何具有可访问的GetAwaiter方法的类型。System.Threading.Tasks.ValueTask<TResult> 类型属于此类实现（需向项目添加System.Threading.Tasks.Extensions NuGet 包）。

  异步方法通常包含 await 运算符的一个或多个实例，但缺少 await 表达式也不会导致生成编译器错误。 如果异步方法未使用 await 运算符标记暂停点，那么异步方法会作为同步方法执行，即使有 async 修饰符也不例外，编译器将为此类方法发布一个警告。

等待（await）

await 表达式只能在由 async 修饰符标记的封闭方法体、lambda 表达式或异步方法中出现。在其他位置，它会解释为标识符。

使用await运算符的任务只可用于返回 Task、Task<TResult> 和 System.Threading.Tasks.ValueType<TResult> 对象的方法。

异步方法同步运行，直至到达其第一个 await 表达式，此时 await 在方法的执行中插入挂起点，会将方法挂起直到所等待的任务完成，然后继续执行await后面的代码区域。
await 表达式并不阻止正在执行它的线程。 而是使编译器将剩下的异步方法注册为等待任务的延续任务。 控制权随后会返回给异步方法的调用方。 任务完成时，它会调用其延续任务，异步方法的执行会在暂停的位置处恢复。

注意：

  • 1.无法等待具有 void 返回类型的异步方法，并且无效返回方法的调用方捕获不到异步方法抛出的任何异常。

  • 2.异步方法无法声明 in、ref 或 out 参数，但可以调用包含此类参数的方法。 同样，异步方法无法通过引用返回值，但可以调用包含 ref 返回值的方法。

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。

不用await关键字，确认Task执行完毕
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static void Main(){
    var task = Task.Run(() =>{
        return GetName();
    });

    task.GetAwaiter().OnCompleted(() =>{
        // 2 秒之后才会执行这里
        var name = task.Result;
        Console.WriteLine("My name is: " + name);
    });

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

static string GetName(){
    Console.WriteLine("另外一个线程在获取名称");
    Thread.Sleep(2000);
    return "Hello World";
}
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
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static void Main(){
    var task = Task.Run(() =>{
        return GetName();
    });

    var name = task.GetAwaiter().GetResult();
    Console.WriteLine("My name is:{0}",name);

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

static string GetName(){
    Console.WriteLine("另外一个线程在获取名称");
    Thread.Sleep(2000);
    return "Hello World";
}

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。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的实质

await的实质是在调用awaitable对象的GetResult方法

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static async Task Test(){
    Task<string> task = Task.Run(() =>{
        Console.WriteLine("另一个线程在运行！");  // 这句话只会被执行一次
        Thread.Sleep(2000);
        return "Hello World";
    });

    // 这里主线程会挂起等待，直到task执行完毕我们拿到返回结果
    var result = task.GetAwaiter().GetResult();
    // 这里不会挂起等待，因为task已经执行完了，我们可以直接拿到结果
    var result2 = await task;
    Console.WriteLine(str);
}

async和await使用建议

  • async方法需在其主体中具有await 关键字，否则它们将永不暂停。同时C# 编译器将生成一个警告，此代码将会以类似普通方法的方式进行编译和运行。 请注意这会导致效率低下，因为由 C# 编译器为异步方法生成的状态机将不会完成任何任务。
  • 应将 Async 作为后缀添加到所编写的每个异步方法名称中。这是 .NET 中的惯例，以便更轻松区分同步和异步方法。
  • async void 应仅用于事件处理程序。因为事件不具有返回类型（因此无法返回 Task 和 Task<T>）。 其他任何对 async void 的使用都不遵循 TAP 模型，且可能存在一定使用难度。
  • 避免上下文，调用 ConfigureAwait 并且传递false不要捕捉当前上下文。

例如：async void 方法中引发的异常无法在该方法外部被捕获或十分难以测试 async void 方法。

async和await总结

async/await 本质上只是一个语法糖，它并不产生线程，只是在编译时把语句的执行逻辑改了，相当于过去我们用callback，这里编译器自动实现了。

线程的转换是通过SynchronizationContext来实现，如果做了Task.ConfigureAwait(false)操作，运行MoveNext时就只是在线程池中拿个空闲线程出来执行；
如果 Task.ConfigureAwait(true)-(默认)，则会在异步操作前Capture当前线程的SynchronizationContext，异步操作之后运行MoveNext时通过SynchronizationContext转到目标之前的线程。

一般是想更新UI则需要用到 SynchronizationContext，如果异步操作完成还需要做大量运算，则可以考虑Task.ConfigureAwait(false)把计算放到后台算，防止UI卡死。

另外还有在异步操作前做的ExecutionContext.FastCapture，获取当前线程的执行上下文，注意，如果Task.ConfigureAwait(false)，会有个IgnoreSynctx的标记，表示在ExecutionContext.Capture里不做SynchronizationContext.Capture操作，Capture到的执行上下文用来在awaiter completed后给MoveNext用，使MoveNext可以有和前面线程同样的上下文。

通过SynchronizationContext.Post操作，可以使异步异常在最开始的try..catch块中轻松捕获。

调用异步方法

在一个异步方法里，可以调用一个或多个异步方法，如何编码取决于异步方法间结果是否相互依赖。

1.顺序调用异步方法

使用await关键词可以调用每个异步方法，如果一个异步方法需要使用另一个异步方法的结果，await关键词就非常必要。

2.使用组合器

如果异步方法间相互不依赖，则每个异步方法都不使用await，而是把每个异步方法的结果赋值给Task变量，就会运行得更快。

  • WhenAll是在所有传入的任务都完成时才返回Task。

  • WhenAny是在传入的任务其中一个完成就会返回Task。

异常处理

单个异步方法处理

异步方法的一个较好异常处理方式，是使用await关键字，将其放在try/catch中。

返回void的异步方法不会等待。这是因为从async void方法抛出的异常无法捕获。因此异步方法最好返回一个Task类型。

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//异步方法错误处理
static async void HandleError()
{
    try
    {
        await ThrowAfter(2000, "HandleError Error");
    }
    catch (Exception ex)
    {

        Console.WriteLine(ex.Message);
    }
}
//在延迟后抛出异常
static async Task ThrowAfter(int ms, string message)
{
    await Task.Delay(ms);
    throw new Exception(message);
}

多个异步方法

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// Task.WhenAll，在catch块内可以访问，再使用IsFaulted属性检查任务的状态，
// 以确认它们是否出现错误，然后再进行处理。
static async void HandleError()
{
    Task t1 = null;
    Task t2 = null;
    try
    {
        t1 = ThrowAfter(1000, "HandleError-One-Error");
        t2 = ThrowAfter(2000, "HandleError-Two-Error");
        await Task.WhenAll(t1, t2);
    }
    catch (Exception)
    {
        if (t1.IsFaulted)
            Console.WriteLine(t1.Exception.InnerException.Message);
        if (t2.IsFaulted)
            Console.WriteLine(t2.Exception.InnerException.Message);
    }
}

// 使用AggregateException处理方式
static async void HandleError()
{
    Task taskResult = null;
    try
    {
        Task t1 = ThrowAfter(1000, "HandleError-One-Error");
        Task t2 = ThrowAfter(2000, "HandleError-Two-Error");
        await (taskResult = Task.WhenAll(t1, t2));
    }
    catch (Exception)
    {
        foreach (var ex in taskResult.Exception.InnerExceptions)
        {
            Console.WriteLine(ex.Message);
        }
  
    }
}
//在延迟后抛出异常
static async Task ThrowAfter(int ms, string message)
{
    await Task.Delay(ms);
    throw new Exception(message);
}

参考：

异步编程 In .NET

async/await IL翻译

async & await 的前世今生（Updated）

异步编程（async&await）

深入理解Async/Await

async 和 await 关键字

使用Nito.AsyncEx实现异步锁

使用 Async 和 Await 的异步编程 (C#)

https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/async

https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/asynchronous-programming-patterns/asynchronous-programming-model-apm