线程池异步I/O线程 <第三篇>

　　在学习异步之前先来说说异步的好处，例如对于不需要CPU参数的输入输出操作，可以将实际的处理步骤分为以下三步：

启动处理；
实际的处理，此时不需要CPU参数；
任务完成后的处理；

　　以上步骤如果仅仅使用一个线程，当线程正在处理UI操作时就会出现“卡”的现象。

　　如果使用异步的处理方式，则这三步处理过程涉及到两个线程，主线程中启动第一步；第一步启动后，主线程结束(如果不结束，只会让该线程处于无作为的等待状态)；第二步不需要CPU参与；第二步完成之后，在第二个线程上启动第三步；完成之后第二个线程结束。这样的处理过程中没有一个线程需要处于等待状态，使得运行的线程得到充分利用。

一、CLR线程池的I/O线程

上一篇学习的都是CLR线程池的辅助线程，这次要学习的是CLR线程池的I/O线程。

I/O线程是.NET专为访问外部资源所设置的一种线程，因为访问外部资源常常要受到外界因素的影响，为了防止让主线程受影响而长期处于阻塞状态，.NET为多个I/O操作都建立起了异步方法。例如：FileStream、TCP/IP、WebRequest、WebService等等，而且每个异步方法的使用方式都非常类似，

　　都是以Beginxxx开始，以Endxxx结束(APM)。对于APM来说，必须使用Endxxx结束异步，否则可能会造成资源泄露。Beginxxx实际是将线程排入线程池。

　　另外还有一种基于事件的异步编程模式(EPM)，支持基于事件的异步模式的类将有一个或多个后缀为Async的方法，同时还会有一个相应名为Completed后缀的事件，Async方法用于启动异步处理，而Completed事件将在异步处理完成之后通过事件来宣告异步处理的完成。注意，在使用EPM模式的时候，不管是完成了异步请求，还是在处理中出现异常，或者是终止异步处理，都必须要调用Compeleted处理程序。如：

　　OpenReadAsync
　　OpenReadCompleted

二、异步读写FileStream

需要在FileStream中异步调用I/O线程，必须使用以下构造函数建立FileStream对象，并把useAsync设置为true。

FileStream stream = new FileStream(string path,FileMode mode,FileAccess access,FileShare share,int bufferSize,bool useAsync);

　　参数说明：

path是文件的相对路径或绝对路径；
mode确定如何打开或创建文件；
access确认访问文件的方式；
share确定文件如何进程共享；
bufferSize是代表缓冲区大小，一般默认最小值为8，在启动异步读取或写入时，文件大小一般大于缓冲大小；
userAsync代表是否启动异步I/O线程。

　　注意：当使用BeginRead和BeginWrite方法在执行大量读或写时效果更好，但对于少量读/写，这些方法速度可能比同步还要慢，因为进行线程间的切换需要大量时间。

　　1、异步写入

　　FileStream中包含BeginWrite、EndWrite方法可以启动I/O线程进行异步写入。

　　public override IAsyncResult BeginWrite(byte[] array,int offset,int numBytes,AsyncCallback,Object stateObject)
　　public override void EndWrite(IAsyncResult asyncResult)

　　BeginWrite返回值为IAsyncResult，使用方式与委托的BeginInvoke方法相似，最好就是使用回调函数，避免线程阻塞。

　　最后两个参数还是同样的套路：

AsyncCallback用于绑定回调函数；
Object用于传递外部数据。

　　要注意一点：AsyncCallback所绑定的回调函数必须是带单个IAsyncResult参数的无返回值方法。

　　在例子中，把FileStream作为外部数据传递到回调函数当中，然后再回调函数中利用IAsyncResult.AsyncState获取FileStream对象，最后通过FileStream.EndWrite(IAsyncResult)结束写入。

　　下面是一个异步写入的例子：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetMaxThreads(out a, out b);
            Console.WriteLine("原有辅助线程数" + a + "   " + "原有I/O线程数" + b);

            //文件名 文件创建方式 文件权限 文件进程共享 缓冲区大小为1024 是否启动异步I/O线程为true
            FileStream stream = new FileStream(@"D:\123.txt", FileMode.OpenOrCreate, FileAccess.ReadWrite, FileShare.ReadWrite, 1024, true);
            //这里要注意，如果写入的字符串很小，则.Net会使用辅助线程写，因为这样比较快
            byte[] bytes = Encoding.UTF8.GetBytes("你在他乡还好吗？");
            //异步写入开始，倒数第二个参数指定回调函数，最后一个参数将自身传到回调函数里，用于结束异步线程
            stream.BeginWrite(bytes, 0, (int)bytes.Length, new AsyncCallback(Callback), stream);

            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            Console.WriteLine("现有辅助线程数" + a + "   " + "现有有I/O线程数" + b);

            Console.WriteLine("主线程继续干其他活!");
            Console.ReadKey();
        }

        static void Callback(IAsyncResult result)
        {
            //显示线程池现状
            Thread.Sleep(2000);
            //通过result.AsyncState再强制转换为FileStream就能够获取FileStream对象，用于结束异步写入
            FileStream stream = (FileStream)result.AsyncState;
            stream.EndWrite(result);
            stream.Flush();
            stream.Close();
        }
    }

　　输出结果如下：

　　对于结束异步线程的方法，还是玩IAsyncResult的这一套，在启动异步写时将自身对象传递到回调函数中，在回调函数中获得自身去结束异步线程。

　　这就是C#中的异步操作，从剩余线程数我们看到，异步实际上是调用线程池的线程来实现异步的。

　　2、异步读取

　　FileStream中可以通过使用BeginRead和EndRead调用异步I/O线程读取：

　　public override IAsyncResult BeginRead(byte[] array,int offset,int numBytes,AsyncCallback userCallback,Object stateObject)
　　public override int EndRead(IAsyncResult asyncResult)

　　BeginRead与EndRead方法与写相似，AsyncCallback用于绑定回调函数；Object用于传递外部数据。在回调函数只需要使用IAsyncResult.AsyncState就可以获取外部数据。EndRead方法会返回从流中读取到的字节数量。

　　首先定义FileData类，里面包含FileStream对象，byte[]数组和长度。然后把FileData对象作为外部数据传到回调函数，在回调函数中，把IAsyncResult.AsyncState强制转换为FileData。然后通过FileStream.EndRead(IAsyncResult)结束读取。

　　最后比较一下长度，如果读取到的长度与输入的数据长度不一致，则抛出异常。

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            Console.WriteLine("原有辅助线程:" + a + "原有I/O线程:" + b);

            byte[] byteData = new byte[1024];
            FileStream stream = new FileStream(@"D:\123.txt", FileMode.OpenOrCreate, FileAccess.ReadWrite, FileShare.ReadWrite, 1024, true);
            //把FileStream对象，byte[]对象，长度等有关数据绑定到FileDate对象中，以附带属性方式送到回调函数
            Hashtable ht = new Hashtable();
            ht.Add("Length", (int)stream.Length);
            ht.Add("Stream", stream);
            ht.Add("ByteData", byteData);

            //启动异步读取,倒数第二个参数是指定回调函数，倒数第一个参数是传入回调函数中的参数
            stream.BeginRead(byteData, 0, (int)ht["Length"], new AsyncCallback(Completed), ht);

            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            Console.WriteLine("现有辅助线程:" + a + "现有I/O线程:" + b);

            Console.ReadKey();
        }

        //实际参数就是回调函数
        static void Completed(IAsyncResult result)
        {
            Thread.Sleep(2000);
            //参数result实际上就是Hashtable对象，以FileStream.EndRead完成异步读取
            Hashtable ht = (Hashtable)result.AsyncState;
            FileStream stream = (FileStream)ht["Stream"];
            int length = stream.EndRead(result);
            stream.Close();
            string str = Encoding.UTF8.GetString(ht["ByteData"] as byte[]);
            Console.WriteLine(str);
            stream.Close();
        }
    }

　　输出如下：

　　注意，如果文件过小，小于缓冲区1024，那么可能会调用工作者线程而非I/O线程操作。但是根据我的观察，只是读取文件时文件过小可能会调用辅助线程操作，但是写入时不会。

　　像上面就是直接用辅助线程处理了。

　　IAsyncResult的作用主要有两点：

AsyncState属性，用来传递参数到回调函数；
Endxxx方法，结束异步操作方法需要此对象作为参数；

三、异步WebRequest

　　System.Net.WebRequest是.NET为实现Internet的"请求/响应模型"而开发的一个abstract基类。它主要有三个子类：

FtpWebRequest，FileWebRequest使用"file://路径"的URI方式实现对本地资源和内部文件的请求/响应；
HttpWebRequest，FtpWebRequest使用FTP文件传输协议实现文件请求/响应；
FileWebRequest，HttpWebRequest用于处理HTTP的页面请求/响应；

　　当使用WebRequest.Create(string uri)创建对象时，应用程序就可以根据请求协议判断实现类来进行操作FileWebRequest、FtpWebRequest、HttpWebRequest各有其作用。由于使用方法类似，下面就用常用的HttpWebRequest为例子介绍一下异步WebRequest的使用方法。

　　HttpWebRequest包含由一下几个常用方法处理请求/响应：

  public override Stream GetRequest()
  public override WebResponse GetResponse()
  public override IAsyncResult BeginGetRequestStream(AsyncCallback callback,Object state)
  public override Stream EndGetRequestStream(IAsyncResult asyncResult)
  public override IAsyncResult BeginGetResponse(AsyncCallback callback,Object state)
  public override WebResponse EndGetResponse(IAsyncResult asyncResult)

BeginGetRequestStream、EndGetRequestStream用于异步向HttpWebRequest对象写入请求信息;
BeginGetResponse、EndGetResponse用于异步发送页面请求并获取返回信；

　　使用异步方式操作Internet的"请求/响应"，避免主线程长期处于等待状态，而操作期间异步线程是来自CLR线程池的I/O线程。

　　注意：请求与响应不能使用同步与异步混合开发模式，即当请求写入使用GetRequestStream同步模式，即使响应使用BeginGetResponse异步方法，操作也与GetRequestStream方法在于同一线程内。

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            Console.WriteLine("原有辅助线程:" + a + "原有I/O线程:" + b);

            //使用WebRequest.Create方法建立HttpWebRequest对象
            HttpWebRequest webRequest = (HttpWebRequest)WebRequest.Create("http://www.baidu.com");
            webRequest.Method = "post";

            //对写入数据的RequestStream对象进行异步请求
            IAsyncResult result = webRequest.BeginGetResponse(new AsyncCallback(EndGetResponse), webRequest);
            Thread.Sleep(1000);
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            Console.WriteLine("现有辅助线程:" + a + "现有I/O线程:" + b);

            Console.WriteLine("主线程继续干其他事!");
            Console.ReadKey();
        }

        static void EndGetResponse(IAsyncResult result)
        {
            Thread.Sleep(2000);
            //结束异步请求，获取结果
            HttpWebRequest webRequest = (HttpWebRequest)result.AsyncState;
            WebResponse webResponse = webRequest.EndGetResponse(result);

            Stream stream = webResponse.GetResponseStream();
            StreamReader sr = new StreamReader(stream);
            string html = sr.ReadToEnd();
            Console.WriteLine(html.Substring(0,50));
        }
    }

　　显示结果如下：

四、异步SqlCommand

　　使用异步SqlCommand的时候，请注意把ConnectionString 的 Asynchronous Processing 设置为 true 。

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            int a, b;
            ThreadPool.GetMaxThreads(out a, out b);
            Console.WriteLine("原有辅助线程数" + a + "   " + "原有I/O线程数" + b);

            string str = "server=.;database=Test;uid=sa;pwd=123;Asynchronous Processing=true";
            SqlConnection conn = new SqlConnection(str);            
            SqlCommand cmd = conn.CreateCommand();                  
            cmd.CommandText = "INSERT INTO Person VALUES(15,'郭嘉',22)";    
            conn.Open();
            cmd.BeginExecuteNonQuery(new AsyncCallback(EndCallback), cmd);
            Thread.Sleep(1000);
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out a, out b);
            Console.WriteLine("现有辅助线程数" + a + "   " + "现有I/O线程数" + b);

            Console.WriteLine("主线程继续执行!");

            Console.ReadKey();
        }

        public static void EndCallback(IAsyncResult result)
        {
            Thread.Sleep(2000);
            SqlCommand cmd = result.AsyncState as SqlCommand;   //获得异步传入的参数
            Console.WriteLine("成功执行命令：" + cmd.CommandText);
            Console.WriteLine("本次执行影响行数为：" + cmd.EndExecuteNonQuery(result));
            cmd.Connection.Close(); 
        }
    }