异步与多线程——c#

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StackOverflow 20万阅读的问题：如何实现异步Task超时的处理
Func和Action委托简单用法
C#异步编程基础入门总结
C#泛型入门学习泛型类、泛型集合、泛型方法、泛型约束、泛型委托
C#异常处理总结

1.前言

异步这概念刚开始接触的时候，不是那么容易接受，但是需要用的地方还真的挺多的，刚学习的时候，也很懵逼走了不少弯路，所以这里有必要总结一下。
msdn文档:https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/standard/asynchronous-programming-patterns/
官方的简介：
*.NET Framework提供了执行异步操作的三种模式：
异步编程模型（APM）模式（也称为IAsyncResult的模式），其中异步操作要求Begin和End方法（例如，BeginWrite和EndWrite异步写入操作）。这种模式不再被推荐用于新开发。有关更多信息，请参阅异步编程模型（APM）。

基于事件的异步模式（EAP），它需要一个具有Async后缀的方法，并且还需要一个或多个事件，事件处理程序委托类型和被EventArg派生类型。EAP在.NET Framework 2.0中引入。不再推荐新的开发。有关更多信息，请参阅基于事件的异步模式（EAP）。

基于任务的异步模式（TAP），它使用单一方法来表示异步操作的启动和完成。TAP在.NET Framework 4中引入，是.NET Framework中推荐的异步编程方法。C＃中的async和等待关键字，Visual Basic语言中的Async和Await运算符为TAP添加语言支持。有关更多信息，请参阅基于任务的异步模式（TAP）。*

2.异步的应用场景

在计算机程序的运行中，计算是需要一定的时间的，在运算时间过长的任务时，比如上传大文件、读取文件流、数据库操作、httprequest等，如果是同步（synvronous）必须等待该任务执行完成才能继续下一个任务。使用异步（asynchronous）操作，会开启新的线程，不会等待异步操作完成才去执行后面的程序，相比异步编程优点：1.就是出现长时间处理程序时，不会卡界面，用户仍然可以操作UI界面2.提高程序运行效率，节约CPU资源，提供系统吞吐量。

3.进程和线程的关系

这个面试的时候基本上都会问到，简而言之就是：
一个程序都会有一个进程和一个线程，进程是由CPU进行调度分配资源的，有一个完整的虚拟地址空间，不依赖线程独立存在，反之线程是由进程来调度分配的，只是进程的一部分，没有自己的地址空间，与进程内的其他线程一起共享该进程的所有资源。打个简单的比方就像是线程就好比是人体的寄生虫，不能独立存在，必须依靠人（进程）的营养（资源）来生存（执行）

4.异步和多线程的区别

异步是相对同步而言的，我们知道异步是开启了新线程，但是和多线程不是一个概念，异步相当于一个人的“大脑”能够做试卷，又能够看电影，同时处理两件以上不同的事情。多线程好比多个人做不同的事情。
异步操作的本质
c#中异步和多线程的区别是什么呢？异步和多线程两者都可以达到避免调用线程阻塞的目的，从而提高软件的可响应性。　所有的程序最终都会由计算机硬件来执行，无须消耗CPU时间的I/O操作正是异步操作的硬件基础。
线程的本质
线程不是一个计算机硬件的功能，而是操作系统提供的一种逻辑功能，线程本质上是进程中一段并发运行的代码，所以线程需要操作系统投入CPU资源来运行和调度
异步操作的优缺点
因为异步操作无须额外的线程负担，并且使用回调的方式进行处理，在设计良好的情况下，处理函数可以不必使用共享变量（即使无法完全不用，最起码可以减少 共享变量的数量），减少了死锁的可能。当然异步操作也并非完美无暇。编写异步操作的复杂程度较高，程序主要使用回调方式进行处理，与普通人的思维方式有些出入，而且难以调试。
多线程的优缺点
　　多线程的优点很明显，线程中的处理程序依然是顺序执行，符合普通人的思维习惯，所以编程简单。但是多线程的缺点也同样明显，线程的使用（滥用）会给系统带来上下文切换的额外负担。并且线程间的共享变量可能造成死锁的出现。
适用范围
当需要执行I/O操作时，使用异步操作比使用线程+同步 I/O操作更合适。I/O操作不仅包括了直接的文件、网络的读写，还包括数据库操作、Web Service、HttpRequest以及.net Remoting等跨进程的调用。
而线程的适用范围则是那种需要长时间CPU运算的场合，例如耗时较长的图形处理和算法执行。但是往往由于使用线程编程的简单和符合习惯，所以很多朋友往往会使用线程来执行耗时较长的I/O操作。这样在只有少数几个并发操作的时候还无伤大雅，如果需要处理大量的并发操作时就不合适了。
参考：http://www.cnblogs.com/DebugLZQ/archive/2012/09/05/2670986.html

5.C#异步方式之一（ BeginInvoke、EndInvoke方法）

方式1：使用回调方法完成异步委托
先来看个例子，委托的异步调用，这个例子首先定义一个string类型的返回值、string类型的参数的委托。虽然这中模式不推荐被使用。

    class Program
    {
        delegate string SayHi(string name);//定义委托
        static void Main(string[] args)
        {
            SayHi sayhi = new SayHi(SayHiName);//实例化委托
            sayhi("科比");//一般的直接调用
            sayhi.Invoke("张林");//使用Invoke方法同步调用
            //异步调用
            sayhi.BeginInvoke("杜兰特", (IAsyncResult ar) =>
            {
                sayhi.EndInvoke(ar);
                Console.WriteLine("打招呼成功结束"); 
            }, null);
        }
        public static string SayHiName(string  name)
        {
            return "how are you"+name + "?";
        }
    }

前两种调用委托的方式都是同步的，BeginInvoke方法的返回值是IAsyncResult类型的
该方法的参数由两部分组成，前面（n）个参数是委托的参数，倒数第二个参数也表示一个委托，该委托是.net系统定义的委托（和func、action类似），查看AsyncCallback的定义如图：

作用就是：作为执行调用的回调方法，值得注意的是，在回调方法中，必须调用EndInvoke方法结束异步调用，EndInvoke是获取异步调用的结果
上面的例子调试的结果如图：

方式2：使用轮询
我们把BeginInvoke的委托参数为null，使用轮询的方式

   Func<string, string> func = delegate (string name)
              {
                  Thread.Sleep(2000);

                  return "how are you" + name + "";
              };
              IAsyncResult ar = func.BeginInvoke("张林",null,null);
              int i = 1;
              while (!ar.IsCompleted)
              {
                Console.WriteLine(200*i);
                i++;
                Thread.Sleep(200);
              }
             string result = func.EndInvoke(ar);
             Console.WriteLine(result);

结果如图:

6.C#异步方式之二 await async

async和await是一对关键字，它是.net 4.5的特性。在实际工作中使用方便灵活，主要原因就是可以像写同步方法那样去异步编程，代码结构清晰，不用关心如何实现异步的编程。
这里其实要注意的是，之前刚说了异步是开启新的线程来实现的，但是await 和async两个关键字并没有开启新的线程，为了证明这一点，下面建了一个winform的程序，异步获取图片并显示到picturebox上。

   public Form1()
        {
            InitializeComponent();
            this.label1.Text = "主线程Id："+Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;
        }

        private  async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            string imageUrl = "https://ss0.baidu.com/6ONWsjip0QIZ8tyhnq/it/u=3850265187,1181041963&fm=173&s=62E19A4722716A371EB097FB03009015&w=218&h=146&img.JPEG";
            HttpClient client = new HttpClient();
            var response =await  client.GetAsync(imageUrl);
            if (response.StatusCode == System.Net.HttpStatusCode.OK)
            {
                var stream =await response.Content.ReadAsStreamAsync();
                Image  image = Bitmap.FromStream(stream,true);
                this.label2.Text = "线程Id：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;
                this.pictureBox1.BackgroundImage = image;
            }
        }

其实不用看图就已经知道答案了，程序运行时不报异常，就已经说明一点：await async两个关键根本创建新的线程。这个涉及到异步更新UI到主线程，就不多说了。
结果如图：

async await方法的使用说明：

• 返回类型： void 、Task、Task<泛型类型>
• async、await不会创建新的线程，实现等待的效果，必须同时使用
• 使用该方法的方法主体也要用async关键字

异步方法事例：

     private static async Task<int> GetValueAsync(int a)
        {
            //Task.run 开启了新的线程
            await  Task.Run(() =>
            {
                Thread.Sleep(2000); //模拟耗时
                Console.WriteLine("GetValueAsync方法结束,线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
                 return a * a;
            });
            Console.WriteLine("线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId+"异步方法结束");
            return a * a;
        }

调用异步方法：

  private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
        {
           int result =await GetValueAsync(5);
           this.label1.Text = "异步计算的结果" + result + "线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;
        }

7.C#异步方式之三 浅谈Task

前面刚刚了解到async await是.net 4.5出的特性，Task是.net4.0新出的特性，用来处理异步编程的，其实我们要知道真正实现的异步操作还是Task新增线程来实现的，但是不代表说开一个Task，就开一个线程，有可能是几个Task在一个线程上运行的，他们并不是一一对应的关系，充分利用线程，下面的事例就已经能够说明这一点
Task创建
Task创建有两种方式一种通过任务工厂赋值立即运行，一种是直接实例化。下面这个例子创建了10个Task

     static  void Main(string[] args)
        {
            //启用线程池中的线程异步执行
            Task t1 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("Task1启动...线程ID："+Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            });
            Task t2 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("Task2启动...线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            });
            //new 实例化启动
            Task t3 = new Task(() =>
            {
                Console.WriteLine("Task3启动...线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            });
            t3.Start();
            Task t4 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("Task4启动...线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            });
            Task t5 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("Task5启动...线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            });
            Task t6 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("Task6启动...线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            });
            Task t7 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("Task7启动...线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            });
            Task t8 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("Task8启动...线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            });
            Task t9 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("Task9启动...线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            });
            Task t10 = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("Task10启动...线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            });
            Console.ReadLine();
        }

创建的10个Task，我们从结果中也证明了Task和线程并不是一一对应的关系，结果如图：

Task构造函数

Task状态
我们创建一个task，调用他的Start、Wait方法

 static  void Main(string[] args)
        {
            var task = new Task(()=> {
                Console.WriteLine("Task创建成功");
            });
            Console.WriteLine("task未开始："+task.Status);
            task.Start();
            Console.WriteLine("task已经开始："+task.Status);
            task.Wait();
            Console.WriteLine("task已经等待："+task.Status);
        }

结果如图:

我们从图中可以知道，Task的生命周期如下:
Created:在已经实例化未Start之前的状态
WaittingToRun:表示等待分配线程给Task执行
RanToCompletion：任务执行完毕

Task等待任务结果
1.Task.WaitAll从这个字面意思就知道等待所有任务执行完成，和上面例子Wait方法等待一个任务执行完成很相似，我们来看一个代码：

 var task1 = new Task(() =>
            {
                System.Threading.Thread.Sleep(3000);
                Console.WriteLine("task1Created");
            });
            var task2 = new Task(() =>
            {
                System.Threading.Thread.Sleep(3000);
                Console.WriteLine("task2Created");
            });
            task1.Start();
            task2.Start();
            Task.WaitAll(task1, task2);
            Console.WriteLine("所有任务执行完!");
            Console.Read();

结果输出:
task1Created
task2Created
所有任务执行完
除了WaitAll方法还有这些常用的方法

• Task.WaitAny:等待任何一个任务向下执行
• Task.ContinueWith等待第一个Task完成自动启动，触发下一个Task，也就是当做任务完成时触发的回调方法
• Task.GetAwaiter().OnCompleted(Action action) :GetAwaiter 方法获取任务的等待者，调用OnCompleted事件，任务完成时触发

Task任务取消

   static  void Main(string[] args)
        {
            var source = new CancellationTokenSource();
            var token = source.Token;
            Task t1 = Task.Run(() =>
            {
                Thread.Sleep(2000);
                if (token.IsCancellationRequested)
                {
                    Console.WriteLine("任务已取消");
                }
                Thread.Sleep(1000);
            },token);
            Console.WriteLine(t1.Status);
            //取消任务
            source.Cancel();
            Console.WriteLine(t1.Status);
            Console.ReadLine();
        }

结果如图：

总结：
纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。很多实际的异步问题还是需要在实践中去体会，实践是检验真理的唯一标准。

作者信息：
【文章信息】：作者-张林:原文链接-https://blog.csdn.net/kebi007/article/details/76899078
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