C＃：异步编程和线程的使用（.NET 4.5 ）
异步编程和线程处理是并发或并行编程非常重要的功能特征。为了实现异步编程，可使用线程也可以不用。将异步与线程同时讲，将有助于我们更好的理解它们的特征。
本文中涉及关键知识点
1. 异步编程
2. 线程的使用
3. 基于任务的异步模式
4. 并行编程
5. 总结
异步编程什么是异步操作？异步操作是指某些操作能够独立运行，不依赖主流程或主其他处理流程。通常情况下，C＃程序从Main方法开始，当Main方法返回时结束。所有的操作都是按顺序执行的。执行操作是有序列的，一个操作必须等到其前面的操作完成才能够执行。如以下代码示例：
1:staticvoidMain(string[]args)
2:
3:{
4:
5:DoTaskOne();
6:
7:DoTaskTwo();
8:
9:}
“DoTaskOne”方法结束后，DoTaskTwo()才能够执行。
异步编程中常用后台运行的方法体现，主调用线程不会被阻塞。调用后台运行的方法后，执行流程会立即返回到调用的线程并继续执行其他任务。后台运行方法通常是用线程或任务来实现。
在上面的例子中，在“DoTaskOne”方法调用成功后，如果“DoTaskOne”是异步调用，，执行流程立即返回到Main方法中，并继续执行“DoTaskTwo” 方法。
C#提供了Thread类创建线程实现异步编程，或者使用.NET提供的异步模式实现异步编程。.NET中提供了三种不同的异步模式：
1. 异步编程模型（APM）模式
2. 基于事件的异步模式（EAP）
3. 基于任务的异步模式（TAP）
前两种模型微软官方并不推荐使用，本文不再详细描述。我们将详细讨论基于任务的异步模式（TAP）：
线程的使用在.NET 4.5中引入了异步编程模式，大部分情况下都不需要我们手动创建线程。编译器已经替代了开发人员来完成这项工作。
创建新线程是非常耗时的。一般情况下，异步和并行编程使用 “基于任务的异步模式（TAP）”和“任务并行库（TPL）”就够了。如果需要控制线程的功能则需要使用其他模式。
TAP和TPL都是基于任务。一般来说任务是从线程池中调用线程（ 线程池是.NET框架创建的和维护的线程集。如果我们使用任务，就不需要直接调用线程池。
任务可以在以下情况运行：
1. 在正在运行的线程中
2. 在新线程中
3. 从线程池中的某一线程中
4. 没有线程也可以运行
如果使用任务机制，开发人员就不必担心线程的创建或使用，.NET框架已经为我们解决了这一难题。
有时候需要控制线程，执行以下操作：
1. 设置线程名称
2. 设置线程优先级
3. 设置线程是前端或后端运行
我们可以使用线程类来创建线程。
使用Thread类创建线程Thread类的构造函数接收委托类型的参数
1. ThreadStart：定义了返回值为空的方法，且不带参数的方法。
2. ParameterizedThreadStart：定义了返回值为空且有一个object类型的参数。
下面是一个简单的例子，使用 Start方法启动一个新线程：
1:staticvoidMain(string[]args)
2:
3:{
4:
5:Threadthread=newThread(DoTask);
6:
7:thread.Start();//StartDoTaskmethodinanewthread
8:
9://Doothertasksinmainthread
10:
11:}
12:
13:staticpublicvoidDoTask(){
14:
15://dosomethinginanewthread
16:
17:}
可以用Lamda表达式代替线程名称：
1:staticvoidMain(string[]args)
2:
3:{
4:
5:Threadthread=newThread(()=>{
6:
7://dosomethinginanewthread
8:
9:});
10:
11:thread.Start();//Startanewthread
12:
13://Doothertasksinmainthread
14:
15:}
如果不需要引用变量，可如下直接启动线程：
1:staticvoidMain(string[]args)
2:
3:{
4:
5:newThread(()=>{
6:
7://dosomethinginanewthread
8:
9:}).Start();//Startanewthread
10:
11://Doothertasksinmainthread
12:
13:}
但是，如果想控制线程对象，对线程设置一些属性，需要在线程创建后引用线程变量。如下可给线程对象的不同属性设值：
1:staticvoidMain(string[]args)
2:
3:{
4:
5:Threadthread=newThread(DoTask);
6:
7:thread.Name="Mynewthread";//Asigningnametothethread
8:
9:thread.IsBackground=false;//Madethethreadforground
10:
11:thread.Priority=ThreadPriority.AboveNormal;//Settingthreadpriority
12:
13:thread.Start();//StartDoTaskmethodinanewthread
14:
15://Doothertaskinmainthread
16:
17:}
调用引用变量，可以执行一些操作如中止线程或通过调用join方法等待阻塞线程。
如果需要通过函数传值，可以给Start方法传值。由于该方法的参数为Object类型，因此需要强制转换类型。
1:staticvoidMain(string[]args)
2:
3:{
4:
5:Threadthread=newThread(DoTaskWithParm);
6:
7:thread.Start("Passingstring");//StartDoTaskWithParmmethodinanewthread
8:
9://Doothertaskinmainthread
10:
11:}
12:
13:staticpublicvoidDoTaskWithParm(objectdata)
14:
15:{
16:
17://weneedtocastthedatatoappropriateobject
18:
19:}“async”和“await”关键字
.NET框架引入了两个新的关键字来实现异步编程：“async”和“await”。使用 “await”的异步方法必须由“async”修饰符来声明方法。“await”关键字修饰调用异步方法。await 运算符应用于一个异步方法中的任务以挂起该方法的执行，直到等待任务完成.如下：
1:privateasyncstaticvoidCallerWithAsync()//asyncmodifierisused
2:
3:{
4:
5:stringresult=awaitGetSomethingAsync();//awaitisusedbeforeamethodcall.Itsuspends
6://executionofCallerWithAsync()methodandcontrolreturstothecallingthreadthatcan
//performothertask.
7:
8:Console.WriteLine(result);
9://thislinewouldnotbeexecutedbeforeGetSomethingAsync()//methodcompletes
10:
11:}
而“ async ”修饰符只能用于返回值为Task类型或Void的方法。它不能用于主程序的切入点。
所有的方法之前不能使用await关键字，使用“await”关键字方法必须返回 “可等待”类型。以下属于“可等待”类型：
1. Task
2. Task<T>
3. 自定义“可等待”类型。
基于任务的异步模式首先我们需要声明一个返回类型为Task或Task<T>的异步方法。可以通过以下几种方式创建任务：
1. Task.Factory.StartNew方法：在之前的.NET版本（在.NET 4中），是创建和启动任务的主要方法。
2. Task.Run或Task.Run <T>方法：从.NET 4.5这个方法已经被使用。此方法足以满足常见情况。
3. Task.FromResult方法：如果结果是已计算，就可以用这个方法来创建任务。
创建并等待一个任务使用Task.Run <T>方法创建Task。该方法将特定工作按顺序排列在线程池中运行，并返回工作的任务句柄。需要以下步骤从同步方法中创建异步任务：
1. 假设下面方法是同步的，但需要一定的时间来完成：
1:staticstringGreeting(stringname)
2:
3:{
4:
5:Thread.Sleep(3000);
6:
7:returnstring.Format("Hello,{0}",name);
8:
9:}
2. 要以异步方式访问此方法，必须以异步方式封装。命名为“GreetingAsync”。增加“Async”的后缀命名异步方法。
1:staticTask<string>GreetingAsync(stringname)
2:
3:{
4:
5:returnTask.Run<string>(()=>
6:
7:{
8:
9:returnGreeting(name);
10:
11:});
12:
13:}
3.现在，可通过使用的await关键字调用异步方法GreetingAsync
1:privateasyncstaticvoidCallWithAsync()
2:
3:{
4:
5://someothertasks
6:
7:stringresult=awaitGreetingAsync("Bulbul");
8:
9://Wecanaddmultiple“await”insame“async”method
10:
11://stringresult1=awaitGreetingAsync(“Ahmed”);
12:
13://stringresult2=awaitGreetingAsync(“EveryBody”);
14:
15:Console.WriteLine(result);
16:
17:}
当“CallWithAsync”方法被调用时，与常规的同步方法一样执行，直到遇到“await”的关键字。当它执行到 await的关键字会处理执行，并开始等待“GreetingAsync（” Bulbul “）” 方法被完成。同时，程序流将返回” CallWithAsync “方法的调用者，并继续执行调用者的任务。
当“GreetingAsync（" Bulbul "） 方法完成，“CallWithAsync”的方法恢复 “await关键字后的其他任务。在本实例中，将继续执行的代码“Console.WriteLine（result）”
4. 使用任务持续：Task类 “ContinueWith”的方法定义了Task完成后被调用的代码。
1:privatestaticvoidCallWithContinuationTask()
2:
3:{
4:
5:Task<string>t1=GreetingAsync("Bulbul");
6:
7:t1.ContinueWith(t=>
8:
9:{
10:
11:stringresult=t.Result;
12:
13:Console.WriteLine(result);
14:
15:});
16:
17:}
如果使用“ContinueWith”的方法就不需要使用“await“关键字，编译器会自动在合适的位置中添加“await”关键字。
等候多个异步方法。
看看下面的代码：
1:privateasyncstaticvoidCallWithAsync()
2:
3:{
4:
5:stringresult=awaitGreetingAsync("Bulbul");
6:
7:stringresult1=awaitGreetingAsync(“Ahmed”);
8:
9:Console.WriteLine(result);
10:
11:Console.WriteLine(result1);
12:
13:}
有两个正在等待调用函数序列。“GreetingAsync（” Ahmed “）” 会在完成第一个呼叫“GreetingAsync（” Bulbul “）” 之后启动。如果“result”和上面的代码“result1”是独立的，那么连续的“awiating”并不是一个好的做法。
在这种情况下，我们可以简化调用方法，不需要添加多个“await”关键字，只在一个地方添加await关键字，如下所示，这种情况下，该方法的调用都可以并行执行。
1:privateasyncstaticvoidMultipleAsyncMethodsWithCombinators()
2:
3:{
4:
5:Task<string>t1=GreetingAsync("Bulbul");
6:
7:Task<string>t2=GreetingAsync("Ahmed");
8:
9:awaitTask.WhenAll(t1,t2);
10:
11:Console.WriteLine("Finishedbothmethods.\n"+
12:
13:"Result1:{0}\nResult2:{1}",t1.Result,t2.Result);
14:
15:}
在这里，我们使用Task.WhenAll连接器。Task.WhenAll创建一个任务，将完成所有的提供的任务。Task类也有其他的结合器。Task.WhenAny，当所任务链中所有的任务完成时，结束使用。
处理异常必须把“await的代码块放在try块内捕获异常。
1:privateasyncstaticvoidCallWithAsync()
2:
3:{
4:
5:try
6:
7:{
8:
9:stringresult=awaitGreetingAsync("Bulbul");
10:
11:}
12:
13:catch(Exceptionex)
14:
15:{
16:
17:Console.WriteLine(“handled{0}”,ex.Message);
18:
19:}
20:
21:}
如果try块中有多个“await”，只有第一个”await“异常会被处理，其他“await”将无法被捕捉。如果希望所有的方法都能捕获异常，不能使用“await”关键字调用方法，使用Task.WhenAll来执行任务。
1:privateasyncstaticvoidCallWithAsync()
2:
3:{
4:
5:try
6:
7:{
8:
9:Task<string>t1=GreetingAsync("Bulbul");
10:
11:Task<string>t2=GreetingAsync("Ahmed");
12:
13:awaitTask.WhenAll(t1,t2);
14:
15:}
16:
17:catch(Exceptionex)
18:
19:{
20:
21:Console.WriteLine(“handled{0}”,ex.Message);
22:
23:}
24:
25:}
捕获所有任务的错误一种方法是在try块之外声明任务，这样可以从try块进行访问，并检查任务的“IsFaulted”属性。如果它存在异常那么“IsFaulted”属性值为True，就可捕获任务实例的内部异常。
还有另一个更好的办法：
1:staticasyncvoidShowAggregatedException()
2:
3:{
4:
5:TasktaskResult=null;
6:
7:try
8:
9:{
10:Task<string>t1=GreetingAsync("Bulbul");
11:
12:Task<string>t2=GreetingAsync("Ahmed");
13:
14:await(taskResult=Task.WhenAll(t1,t2));
15:
16:}
17:
18:catch(Exceptionex)
19:
20:{
21:
22:Console.WriteLine("handled{0}",ex.Message);
23:
24:foreach(varinnerExintaskResult.Exception.InnerExceptions)
25:
26:{
27:Console.WriteLine("innerexception{0}",nnerEx.Message);}
28:}
29:
30:}取消任务
在此之前，如果从线程池中调用线程，线程是不可能取消。现在，Task类提供了一个方法基于CancellationTokenSource类能够取消已启动的任务，取消任务步骤：
1. 异步方法应该除外 “ CancellationToken” 参数类型
2. 创建CancellationTokenSource类实例：
varcts=newCancellationTokenSource();
3. 传递CancellationToken，如：
1:Task<string>t1=GreetingAsync("Bulbul",cts.Token);
4. 长时间运行的方法中，必须调用CancellationToken的ThrowIfCancellationRequested（）方法。
1:staticstringGreeting(stringname,CancellationTokentoken){
2:
3:Thread.Sleep(3000);
4:
5:token.ThrowIfCancellationRequested();
6:
7:returnstring.Format("Hello,{0}",name);
8:
}
5. 从等待的Task中捕获 OperationCanceledException异常。
6. 如果通过调用CancellationTokenSource的实例的方法执行取消操作，将从长时间运行操作中抛出OperationCanceledException异常。也可以设置取消的时间。以下是完整的代码，一秒后执行取消操作：
1:staticvoidMain(string[]args)
2:
3:{
4:CallWithAsync();
5:
6:Console.ReadKey();
7:
8:}
9:
10:
11:asyncstaticvoidCallWithAsync()
12:
13:{
14:
15:try
16:
17:{
18:
19:CancellationTokenSourcesource=newCancellationTokenSource();
20:
21:source.CancelAfter(TimeSpan.FromSeconds(1));
22:
23:vart1=awaitGreetingAsync("Bulbul",source.Token);
24:}
25:
26:catch(OperationCanceledExceptionex)
27:
28:{
29:
30:Console.WriteLine(ex.Message);
31:
32:}
33:
34:}
35:
36:staticTask<string>GreetingAsync(stringname,CancellationTokentoken)
37:
38:{
39:
40:returnTask.Run<string>(()=>
41:
42:{
43:
44:returnGreeting(name,token);
45:
46:});
47:}
48:
49:
50:staticstringGreeting(stringname,CancellationTokentoken)
51:
52:{
53:
54:Thread.Sleep(3000);
55:token.ThrowIfCancellationRequested();
56:
57:returnstring.Format("Hello,{0}",name);
58:
59:}
60:并行编程
.NET 4.5及以上版本推出“Parallel类，是线程类的抽象。使用“Parallel”类，我们可以实现并行。并行与线程不同，它使用所有可用的CPU或内核的。以下两种类型的并行是可行：
数据并行：如果我们有数据的大集合，我们希望在每个数据的某些操作进行并行使用，那么就可以使用数据并行。Parallel类有静态For或ForEach来执行数据并行行，如
1:ParallelLoopResultresult=
2:Parallel.For(0,100,async(inti)=>
3:{
4:Console.WriteLine("{0},task:{1},thread:{2}",i,
5:Task.CurrentId,Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
6:awaitTask.Delay(10);
7:
8:});
For或ForEach方法可以在多线程中和且索引无序可以是无序的。
如果想停止并行For或ForEach方法，可通过ParallelLoopState作为参数，并根据需要打破循环的状态，跳出循环。
1:ParallelLoopResultresult=
2:Parallel.For(0,100,async(inti,ParallelLoopStatepls)=>
3:{
4:Console.WriteLine("{0},task:{1},thread:{2}",i,
5:Task.CurrentId,Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
6:awaitTask.Delay(10);
7:if(i>5)pls.Break();
8:});
2. 任务并行：如果想要同时运行多个任务的，我们可以通过调用Parallel类的invoke方法使用任务并行Parallel.Invoke方法接收委托行为的数组。例如：
1:staticvoidParallelInvoke()
2:
3:{
4:
5:Parallel.Invoke(MethodOne,MethodTwo);
6:
7:}
8:结论
本文详细介绍了.NET Framework 4.5提供的异步编程技术及细节。
原文链接：http://www.codeproject.com/Articles/996857/Asynchronous-programming-and-Threading-in-Csharp-N
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