c#异步编程-Task(一)

2022-12-07 18:22:17 浏览数 (2)

一、概要

大家好,本次继续分享自己的学习经历。本文主要分享异步编程中Task的使用,如果能帮助大家希望多多关注文章末尾的微信公众号和知乎三连。各位举手之劳是对我更新技术文章最大的支持。

  • 个人心得:Task是一个升级版本的Thread的类,它非常的灵活支持取消、阻塞等待、合并多个Task协同操作、编码高效易懂、异常传播、回调传递结果或调用方法等。
  • 本文相关文献查阅地址:https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.tasks.task-1?f1url=?appId=Dev16IDEF1&l=ZH-CN&k=k(System.Threading.Tasks.Task);k(DevLang-csharp)&rd=true&view=net-5.0

二、详细内容

1.Task

Thread线程是用来创建并发的一种低级别工具,它具有一些限制,尤其是:

  • 虽然开始线程的时候可以方便的传入数据,但是当join的时候很难从线程获得返回值。
  • 可能需要设置一些共享字段。
  • 如果操作抛出异常,铺货和传播该异常都很麻烦
  • 无法告诉线程在结束时开始另外的工作,你必须进行join操作(在进程中阻塞当前的线程)
  • 很难使用较小的并发(concurrent)来组件大型的并发

Task类可以很好的解决上述问题,它是一个高级抽象:它代表了一个并发操作(concurrent),该操作可能有Thread支持,或不由Thread支持。

  • Task是可组合的(可使用continuation把他们穿成链)。
  • Tasks可以使用线程池来减少启动延迟。
  • 使用TaskCompletionSource,Tasks可以利用回调的方式,在等待I/O绑定操作时完全避免使用线程。

开始一个Task ,Task.Run

开始一个Task最简单的办法就是使用Task.Run(.net4.5,4.0的时候是Task.Factory.StartNew)传入一个Action委托即可(例子task)

代码语言:javascript复制
Task.Run(()=>{  Console.WriteLine("do it"); });
  • Task默认使用线程池,也就是后台线程:当主线程结束时,你创建所有的tasks都会结束。
  • Task.Run返回一个Task对象,可以使用它来监视其过程
  • 在Task.Run之后,我们没有调用Start,因为该方法创建的是“热”任务(hot task)
  • 可以通过task的构造函数创建“冷”任务(cold task),但开发中很少这么干
  • 通过Task的Status属性来跟踪task的执行状态。

Task.Status枚举状态如下这里就不详细分析可以去官方文档查阅具体用法:

代码语言:javascript复制
public enum TaskStatus
{
    //
    // 摘要:
    //     The task has been initialized but has not yet been scheduled.
    Created = 0,
    //
    // 摘要:
    //     The task is waiting to be activated and scheduled internally by the .NET Framework
    //     infrastructure.
    WaitingForActivation = 1,
    //
    // 摘要:
    //     The task has been scheduled for execution but has not yet begun executing.
    WaitingToRun = 2,
    //
    // 摘要:
    //     The task is running but has not yet completed.
    Running = 3,
    //
    // 摘要:
    //     The task has finished executing and is implicitly waiting for attached child
    //     tasks to complete.
    WaitingForChildrenToComplete = 4,
    //
    // 摘要:
    //     The task completed execution successfully.
    RanToCompletion = 5,
    //
    // 摘要:
    //     The task acknowledged cancellation by throwing an OperationCanceledException
    //     with its own CancellationToken while the token was in signaled state, or the
    //     task's CancellationToken was already signaled before the task started executing.
    //     For more information, see Task Cancellation.
    Canceled = 6,
    //
    // 摘要:
    //     The task completed due to an unhandled exception.
    Faulted = 7
}

if (task.Status == TaskStatus.RanToCompletion)
{
    //当当前线程状态表示完成时则执行后续操作
    Console.WriteLine("do it");
}

Task.Wait等待

调用task的wait方法会进行阻塞直到操作完成,相当于thread上的join方法。

代码语言:javascript复制
Task mytask = Task.Run(()=> 
{
    Thread.Sleep(3000);
    Console.WriteLine("do it");
});
Console.WriteLine(mytask.IsCanceled);//false
mytask.Wait();//阻塞主线程直到mytask执行完毕
Console.WriteLine(mytask.IsCanceled);//true

wait也可以让你指定一个超时时间和一个取消令牌来提前结束等待。

Long-running tasks 长时间运行的任务

默认情况,CLR在线程池中运行Task,这非常适合短时间运行的Compute-Bound类工作。

针对长时间允许的任务或阻塞操作,你可以不用采用线程池

代码语言:javascript复制
Task task = Task.Factory.StartNew(()=> 
{
    Thread.Sleep(3000);
    Console.WriteLine("do it");
},TaskCreationOptions.LongRunning);

如果同时运行多个long-running tasks(尤其是其中有处于阻塞状态的),那么性能将会受到很大影响,这是有比TaskCreationOptions.LongRunning更好的办法:

  • 如果任务是IO-Bound,TaskCompletionSource和异步函数可以让你用回调(Coninuations)代替线程来实现并发。
  • 如果任务是Compute-Bound,生产者/消费者队列允许你对任务的并发性限流,避免把其他的线程和进程的CPU处理时间片占尽。

2.Task的返回值

Task有一个泛型子类叫做Task,它允许一个返回值。

使用Func委托或兼容的Lambda表达式来调用Task.Run就可以得到Task。

随后,可以通过Result属性来获得返回的结果。

  • 如果这个task还没有完成操作,访问Result属性会阻塞该线程知道该task完成操作。 Task<int> task = Task.Run(()=> { Console.WriteLine("do it"); return 666; }); int result = task.Result; Console.WriteLine(result);

Task可以看做是一个所谓的“未来/许诺”(future、promise),在它里面包裹着一个Result,在稍后的时候就会变得可用。

在CTP版本的时候,Task实际上叫做Future


3.Task的异常

与Thread不一样,Task可以很方便的传播异常 如果你的task里面抛出了一个未处理的异常,那么该异常就会重新被抛出给:

  • 调用了wait()的地方
  • 访问了Task 的Reuslt属性的地方。

代码如下:

代码语言:javascript复制
Task mytask = Task.Run(()=> { throw null; });
try
{
    mytask.Wait();
}
catch (AggregateException aex)
{
    if (aex.InnerExceptions is NullReferenceException)
    {
        Console.WriteLine("null");
    }
    else
    {
        throw;
    }
}

CLR将异常包裹在AggregateException里,以便在并行编程场景中发挥很好的作用。

如果我们不想抛出异常就想知道task有没有发生故障,无需重新抛出异常,通过Task的IsFaulted和IsCanceled属性也可以检测出Task是否发生了故障:

  • 如果两个属性都返回false,那么没有错误发生。
  • 如果IsCanceled为true,那就说明一个OperationCanceledException为该Task抛出了。
  • 如果IsFaulted为true,那么就说明另一个类型的异常被抛出了,而Exception属性也将指明错误。

异常与“自治”的Task

  • “自治的”,“设置完就不管”的task。就是指不通过调用wait方法、result属性或continuation进行会合的任务。
  • 针对自治的task,需要像Thread一样,显式的处理异常,避免发生“悄无声息的故障”。
  • 自治task上未处理的异常成为未观察到的异常。

未观察到的异常

  • 可以通过全局的TaskScheduler.UnobservedTaskException来订阅未观察到的异常。
  • 关于什么是“未观察到的异常”,有一些细微的差别:
    • 使用超时进行等待的Task,如果在超时后发生故障,那么它将会产生一个“未观察到的异常”。
    • 在Task发生故障后,如果访问Task的Exception属性,那么该异常就被认为是“已观察到的”。

4.Coninuation

  • 一个Continuation会对Task说:“当你结束的时候,继续在做点其他的事情”
    • Continuation通常是通过回调的方式实现的
    • 当操作一结束,就开始执行

代码如下:

代码语言:javascript复制
    Task<int> mytask = Task.Run(() => 
    { 
        Console.WriteLine("do it");
        return 666;
    });
    var awaiter =  mytask.GetAwaiter();
    awaiter.OnCompleted(()=> 
    {
        int result = awaiter.GetResult();
        Console.WriteLine(result);
    });
  • 在Task上调用GetAwaiter会返回一个awaiter对象
    • 它的OnCompleted方法会告诉之前的task:“当结束/发生故障的时候要执行委托” 。
  • 可以将Continuation附加到已经结束的task上面,此时continuation将会被安排立即执行。

awaiter

  • 任何可以暴露下列两个方法和一个属性的对象就是awaiter:
  • OnCompleted
  • GetResult
  • 一个叫做IsCompleted的bool属性
  • 没有接口或者父类来统一这些成员。
  • 其中OnCompleted是INotifyCompletion的一部分

如果发生故障

  • 如果之前的任务发生故障,那么当continuation代码调用awaiter.GetResult()的时候,异常会被重新抛出。
  • 无需调用GetResult,我们可以直接访问task的Result属性。
  • 但调用GetResult的好处是,如果task发生故障,那么异常会被直接的抛出,而不是包裹在AggregateException里面,这样的话catch快就简洁了很多。

非泛型task

  • 针对泛型的task,GetResult()方法有一个void返回值,它就是用来重新抛出异常。

同步上下文

如果同步上下文出现了,那么OnCompleted会自动捕获它,并将Continuation提交到这个上下文中。这一点在富客户端应用中非常有用,因为它会把Continuation放回到UI线程中。

如果是编写一个库,则不希望出现上述行为,因为开销较大的UI线程切换应该再程序运行离开库的时候只发生一次,而不是出现在方法调用之间。所以,我们可以使用ConfigureAwait方法来避免这种行为

代码语言:javascript复制
Task<int> mytask = Task.Run(() => 
{ 
    Console.WriteLine("do it");
    return 666;
});
var awaiter =  mytask.ConfigureAwait(false).GetAwaiter();
awaiter.OnCompleted(()=> 
{
    int result = awaiter.GetResult();
    Console.WriteLine(result);
});

如果没有同步上下文出现,或者你使用的是ConfigureAwait(false),那么Continuation会运行在先前的task的同一个线程上,从而避免不必要的开销。

ContinueWith

另外一种附加Continuation的方式就是调用task的Continuewith方法。

代码语言:javascript复制
Task<int> mytask = Task.Run(() => 
{ 
    Console.WriteLine("do it");
    return 666;
});

mytask.ContinueWith(task=> 
{
    int result = task.Result;
    Console.WriteLine(result);
});

Continuewith本身返回一个task,它可以用它来附加更多的Continuation。

但是,必须直接处理AggregateException:

  • 如果task发生故障,需要额外的代码来吧Continuation封装(marshal)到UI应用上。
  • 在非UI上下文中,弱项让Continuation和task执行在同一个线程上,必须制定TaskContinuationOptions.ExecuteSynchronously,否则将它弹回到线程池。

5.TaskCompletionSource

  • TaskCompletionSource也可以用来创建Task
  • TaskCompletionSource让你在稍后开始和结束的任意操作中创建Task
    • 它会为你提供一个可手动执行的“从属”Task
    • 只是操作合适结束或发生故障
  • 它对IO-Bound类工作比较理想
    • 可以获得所有Task的好处(传播至、异常、Continuation等)
    • 不需要在操作时阻塞线程
  • 初始化一个实例即可
  • 它有一个Task属性可返回一个Task
  • 该Task完全由TaskCompletionSource对象控制
  • 调用任意一个方法都会给Task发信号:
    • 完成、故障、取消
  • 这些方法只能调用一次,如果再次调用:
    • SetXXX会抛出异常
    • TryXXX会返回false

方法源码如下:

代码语言:javascript复制
public class TaskCompletionSource<TResult>
{
    public TaskCompletionSource();

    public TaskCompletionSource(object? state);

    public TaskCompletionSource(TaskCreationOptions creationOptions);

    public TaskCompletionSource(object? state, TaskCreationOptions creationOptions);

    public Task<TResult> Task { get; }

    public void SetCanceled();

    public void SetException(IEnumerable<Exception> exceptions);

    public void SetException(Exception exception);

    public void SetResult(TResult result);

    public bool TrySetCanceled();

    public bool TrySetCanceled(CancellationToken cancellationToken);

    public bool TrySetException(IEnumerable<Exception> exceptions);

    public bool TrySetException(Exception exception);

    public bool TrySetResult(TResult result);
}

使用示例代码:

代码语言:javascript复制
/*
 *CODE1
 */
var tcs = new TaskCompletionSource<int>();
new Thread(() =>
{
    Thread.Sleep(5000);
    tcs.SetResult(42);
})
{
    IsBackground = true
}.Start();

Task<int> task = tcs.Task;
Console.WriteLine(task.Result);


/*CODE2
 * 调用此方法相当于调用Task.Factory.StartNew
 * 并使用TaskCreationOptions.LongRunning选项来创建非线程池的线程
 */
Task<TResult> Run<TResult>(Func<TResult> func) 
{
    var tcs = new TaskCompletionSource<TResult>();
    new Thread(() =>
    {
        try
        {
            tcs.SetResult(func());
        }
        catch (Exception ex)
        {

            tcs.SetException(ex);
        }
    })
    {
        IsBackground = true
    }.Start();
    return tcs.Task;
}

TaskCompletionSource终极奥义

  • TaskCompletionSource自身创建Task,但并不占用线程(见示例代码)
  • 特别需要说明的一点,Task中的Delay和Thread的Sleep不一样的是,Sleep不占用CPU处理资源而Delay会,因为它只是延迟了几秒执行代码而已。

示例代码:

代码语言:javascript复制
static void Main(string[] args)
{
    //5秒钟之后,Continuation开始的时候,才占用线程
    Delay(5000).GetAwaiter().OnCompleted(() => Console.WriteLine(42));
    Console.ReadKey();
}

static Task Delay(int milliseconds) 
{
    var tcs = new TaskCompletionSource<object>();
    var timer = new System.Timers.Timer(milliseconds) { AutoReset = false };
    timer.Elapsed  = delegate { timer.Dispose(); tcs.SetResult(null); };
    timer.Start();
    return tcs.Task;
}

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