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C#（99）：二、并行编程 - Task任务

原作者: [db:作者] 来自: [db:来源] 收藏 邀请

任务，基于线程池。其使我们对并行编程变得更简单，且不用关心底层是怎么实现的。
System.Threading.Tasks.Task类是Task Programming Library(TPL)中最核心的一个类。

一、任务与线程

1：任务是架构在线程之上的，也就是说任务最终还是要抛给线程去执行。

2：任务跟线程不是一对一的关系，比如开10个任务并不是说会开10个线程，这一点任务有点类似线程池，但是任务相比线程池有很小的开销和精确的控制。

我们用VS里面的“并行任务”看一看，快捷键Ctrl+D，K，或者找到“调试"->"窗口“->"并行任务“，我们在WaitAll方法处插入一个断点，最终我们发现任务确实托管给了线程。

二、初识Task

两种构建Task的方式，只是StartNew方法直接构建出了一个Task之后又调用了其Start方法。

    Task.Factory.StartNew (() =>
    {
        Console.WriteLine("Hello word!");
    });

    Task task =
new Task 
(() =>
    {
        Console.WriteLine("Hello,Word!");
    });
    task.Start();

在Task内部执行的内容我们称作为Task的Body，Task提供了多个初始化重载的方法。

public Task(Action action);
public Task(Action<object> action,
object state 
);给action传参数
public Task(Action action, CancellationToken cancellationToken);
public Task(Action action, TaskCreationOptions creationOptions);

例如使用了重载方法的State参数：

    Task task2 = new Task((obj ) => 
     { Console.WriteLine("Message: {0}", obj); },
"Say \"Hello\" from task2 
");
    task2.Start();

补充细节

　 在创建Task的时候，Task有很多的构造函数的重载，一个主要的重载就是传入TaskCreateOptions的枚举： 

  •     TaskCreateOptions.None:用默认的方式创建一个Task
  •     TaskCreateOptions.PreferFairness:请求scheduler尽量公平的执行Task(后续文章会将是，Task和线程一样，有优先级的)
  •     TaskCreateOptions.LongRunning:声明Task将会长时间的运行。
  •     TaskCreateOptions.AttachToParent:因为Task是可以嵌套的，所以这个枚举就是把一个子task附加到一个父task中。

三、任务的结果

任务结束时，它可以把一些有用的状态信总写到共享对象中。这个共享对象必须是线程安全的。
另一个方式是使用返回某个结果的任务。使用Task类的泛型版本，就可以定义返冋某个结果的任务的返回类型。

使用返回值的Result属性可获取是在一个Task运行完成才会获取的，所以task2是在task1运行完成后，才开始运行，也就是说上面的两个result的值不管运行多少次都是不会变的。其中我们也可以通过CurrentId来获取当前运行的Task的编号。

    var loop = 0;
    var task1 = new Task<int>(() => 
    {
        for (var i = 0; i < 1000; i++)
            loop += i;
        return loop;
    });
    task1.Start();           
    var loopResut = task1.Result;
 
    var task2 = new Task<long>(obj=>
    {
        long res = 0;
        var looptimes = (int)obj;
        for (var i = 0; i < looptimes; i++)
            res += i;
        return res;
    },loopResut);
     
    task2.Start();
    var resultTask2 = task2.Result;
 
    Console.WriteLine("任务1的结果':{0}\n任务2的结果:{1}",   loopResut,resultTask2);

.NET 4.5 ：Task.Run

TaskFactory.StartNew 的快捷方式。

Task.Run的跟Task.Factory.StarNew和new Task相差不多，不同的是前两种是放进线程池立即执行，而Task.Run则是等线程池空闲后在执行。

Run方法只接受无参的Action和Func委托，另外两个接受一个object类型的参数。

在msdn中TaskFactory.StartNew的备注信息如下：

四、连续任务

所谓的延续的Task就是在第一个Task完成后自动启动下一个Task。我们通过ContinueWith方法来创建延续的Task。我们假设有一个接受xml解析的服务，首先从某个地方接受文件，然后解析入库，最后发送是否解析正确的回执。在每次调用ContinueWith方法时，每次会把上次Task的引用传入进来，以便检测上次Task的状态，比如我们可以使用上次Task的Result属性来获取返回值。

    var ReceiveTask  = new Task(() => ReceiveXml());
    var ResolveTask = ReceiveTask .ContinueWith <bool>((r) => ResolveXml());
    var SendFeedBackTask = ResolveTask.ContinueWith <string>((s) => SendFeedBack(s.Result));
    ReceiveTask.Start();
    Console.WriteLine(SendFeedBackTask.Result);

上面的代码我们也可以这么写：

   var SendFeedBackTask = Task.Factory.StartNew(() => ReceiveXml())
                            .ContinueWith<bool>(s => ResolveXml())
                            .ContinueWith<string>(r => SendFeedBack(r.Result));
    Console.WriteLine(SendFeedBackTask.Result);

无论前一个任务是如何结束的，前面的连续任务总是在前一个任务结束时启动。使用 TaskContinuationOptions枚举中的值，可以指定，连续任务只有在起始任务成功(或失败)结束吋启动。可能的值是 OnlyOnFaulted、NotOoFaulted、Onl)OnCanceIed、NotOnCanceled 和 OnlyOnRanToCompletion

Task t5 = t1.ContinueWith(DoOnError,
TaskContinuationOptions.OnlyOnFaulted);

五、分离嵌套任务

有些情况下我们需要创建嵌套的Task，嵌套里面又分为分离的和不分离的。其创建的方式很简单，就是在Task的body里面创建一个新的Task。如果新的Task未指定AttachedToParent选项，那么就是分离嵌套的。我们看下面这段代码。下面的代码中outTask.Wait()表示等待outTask执行完成。

var outTask = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    Console.WriteLine("Outer task beginning...");
    var childTask = Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        Thread.SpinWait(3000000);
        Console.WriteLine("Detached nested task completed.");
    });
});
outTask.Wait();
Console.WriteLine("Outer task completed.");
Console.ReadKey();

我们可以看到运行结果是：

六、子任务

我们将上面的代码加上TaskCreationOptions选项：

如果父任务在子任务之前结束，父任务的状态就显示为WaitingForChildrenToComplete。只要子任务也结束时，父任务的状态就变成RanToCompletion。.、当然，如果父任务用TaskCreatiooOptions 枚举中的DetachedFromParent创建子任务时，这就无效。

var outTask = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    Console.WriteLine("Outer task beginning...");
    var childTask = Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        Thread.SpinWait(3000000);
        Console.WriteLine("Detached nested task completed.");
    },TaskCreationOptions.AttachedToParent);
});
outTask.Wait();
Console.WriteLine("Outer task completed.");

看到运行结果：

七、取消任务

在4.0中给我们提供一个“取消标记”叫做CancellationTokenSource.Token，在创建task的时候传入此参数，就可以将主线程和任务相关联。我们通过cancellation的tokens来取消一个Task。

有点要特别注意的，当我们调用了Cancel()方法之后，.NET Framework不会强制性的去关闭运行的Task。我们自己必须去检测之前在创建Task时候传入的那个CancellationToken。

一旦cancel被调用,task将会抛出OperationCanceledException来中断此任务的执行，最后将当前task的Status的IsCanceled属性设为true。

1、在很多Task的Body里面包含循环，我们可以在轮询的时候判断IsCancellationRequested属性是否为True，如果是True的话，就可以停止循环以及释放资源，同时抛出OperationCanceledException异常出来。

2、或者在任务中设置“取消信号“叫做ThrowIfCancellationRequested，来等待主线程使用Cancel来通知。

3、检测task是否被cancel就是调用CancellationToken.WaitHandle属性。CancellationToken的WaitOne()方法会阻止task的运行，只有CancellationToken的cancel()方法被调用后，这种阻止才会释放。

var cts = new CancellationTokenSource();

var ct =  cts.Token;

var task = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    for (var i = 0; i < 10000000; i++)
    {
        if (ct.IsCancellationRequested)
        {
            Console.WriteLine("任务开始取消...");
            throw new OperationCanceledException(ct);
        }
         //或者直接在检测到异常时，扔出异常：  token.ThrowIfCancellationRequested();
         //或者等待 WaitHandle：           token.WaitHandle.WaitOne();


    }
},ct);//传入CancellationToken作为Task第二个参数

ct.Register(() =>
{
    Console.WriteLine("已经取消");
});

Thread.Sleep(5000);
cts.Cancel();//如果想要取消一个Task的运行，只要调用CancellationToken实例的Cancel()方法就可以了。

try
{
    task.Wait();
}
catch (AggregateException e)
{
    foreach (var v in e.InnerExceptions)
        Console.WriteLine("msg: " + v.Message);
}

八、 休眠：等待时间执行

在TPL中我们可以通过三种方式进行等待，一是通过CancellTaken的WaitHanle进行等待、第二种则是通过传统的Tread.Sleep方法、第三种则通过Thread.SpainWait方法。

1、CancellToken方式：每次我们等待十秒钟之后，再进行下次输出。

有一点要注意：WaitOne()方法只有在设定的时间间隔到了，或者Cancel方法被调用，此时task才会被唤醒。如果如果cancel()方法被调用而导致task被唤醒，那么CancellationToken.WaitHandle.WaitOne()方法就会返回true，如果是因为设定的时间到了而导致task唤醒，那么CancellationToken.WaitHandle.WaitOne()方法返回false。

    var cts = new CancellationTokenSource();
    var ct = cts.Token;
 
    var task = new Task(() =>
    {
        for (var i = 0; i < 100000; i++)
        {
            var cancelled = ct.WaitHandle.WaitOne(1000 );
            Console.WriteLine(" {0}. Cancelled? {1}", i, cancelled);
            if (cancelled)
            {
                throw new OperationCanceledException(ct);
            }
        }
    }, ct);
    task.Start();

2、上面的功能如果我们要是通过Tread.Sleep方式实现：

            var task = new Task(() =>
            {
                for (var i = 0; i < 100000; i++)
                {
                    Thread.Sleep(10000);
                    var cancelled =ct.IsCancellationRequested;
                    Console.WriteLine(" {0}. Cancelled? {1}",
                                i, cancelled); if (cancelled)
                    {
                        throw new OperationCanceledException(ct);
                    }
                }
            },ct);

3、Thread.SpainWait则跟上面两种方式完全不同，上面的两种方式都是会在线程调度程序不考虑改线程，直等到运行结束。而Thread.SpainWait的作用实质上会将处理器置于十分紧密的循环中，主要的作用是来实现同步锁的作用。并不常用，大部分情况下我们可以通过Lock的方式来实现。

Thread.SpinWait(10000);

九、等待任务执行

在很多时候我们也许需要等待同时开启的几个线程完成之后再来做其他事，在TPL中提供了几种方式来等待任务执行。Task.Wait等待单个任务完成；Task.WaitAll等待所有的Task完成、TaskAny等在其中的任何一个或则多个任务完成。

1、Task.Wait: 等待单独的一个Task执行完成

共有5个重载：Wait()、Wait(CancellToken)、Wait(Int32)、Wait(TimeSpan)、Wait(TimeSpan、CancellToken)。各个重载方法的含义：

  • 1)Wait():等待整个任务完成或者取消或者出现异常；
  • 2)Wait(CancellToken)：等待任务直到CancellToken调用取消或者完成，或者出现异常；
  • 3)Wait(Int32)：等待任务，未完成则到指定的时间；
  • 4)Wait(TimeSpan)：同上；
  • 5)Wait(TimeSpan、CancellToken):等待任务到指定时间，或者CancellToken调用取消或者任务完成。
static void Main(string[] args)
{
    var tokenSource = new CancellationTokenSource();
    CancellationToken token = tokenSource.Token;
        Task task = createTask(token,6);    task.Start();
    Console.WriteLine("Wait() complete.");
    task.Wait();
    Console.WriteLine("Task Completed.");
    
    task = createTask(token,3);
    task.Start();
    Console.WriteLine("Wait(2) secs for task to complete.");
    bool completed = task.Wait(2000);
    Console.WriteLine("Wait ended - task completed: {0}", completed);
    
    task = createTask(token,4);
    task.Start();
    Console.WriteLine("Wait(2,token) for task to complete.");
    completed = task.Wait(2000, token);
    Console.WriteLine("Wait ended - task completed: {0} task cancelled {1}",
    completed, task.IsCanceled);
    Console.WriteLine("Main method complete. Press enter to finish.");
    Console.ReadLine();
}
static Task createTask(CancellationToken token,int loop)
{
    return new Task(() =>
    {
        for (int i = 0; i < loop; i++)
        {
            token.ThrowIfCancellationRequested();
            Console.WriteLine("Task - Int value {0}", i);
            token.WaitHandle.WaitOne(1000);
        }
    }, token);
}

循环都会等待1秒钟，这样我们可以看看Wait(2000)的效果，看看运行后的效果：

　从上面的例子可以看出，wait方法子task执行完成之后会返回true。
注意：当在执行的task内部抛出了异常之后，这个异常在调用wait方法时会被再次抛出。后面再"异常处理篇"会讲述。

2、Task.WaitAll方法： 等待多个task

是等待所有的任务完成，也有5个重载， 也可以传递时间以及Token参数，进行等待时间以及取消Token的控制。

   var tokenSource = new CancellationTokenSource();
    CancellationToken token = tokenSource.Token;
    var task1 = createTask(token,2);
    var task2 = createTask(token, 5);
    task1.Start();
    task2.Start();
    Console.WriteLine("Waiting for tasks to complete.");
    Task.WaitAll(task1, task2);
    Console.WriteLine("Tasks Completed.");

注意：如果在等在的多个task之中，有一个task抛出了异常，那么调用WaitAll()方法时就会抛出异常。

ContinueWith结合WaitAll来玩一把

    当这两者结合起来，我们就可以玩一些复杂一点的东西，比如说现在有4个任务，其中t1需要串行，t2-t3可以并行，t4需要串行.

ConcurrentStack<int> stack = new ConcurrentStack<int>();

//t1先执行
var t1 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    stack.Push(1);
    stack.Push(2);
});

//t2,t3并行执行
var t2 = t1.
ContinueWith 
(t =>
{
    int result;

    stack.TryPop(out result);
});

//t2,t3并行执行
var t3 = t1.
ContinueWith 
(t =>
{
    int result;

    stack.TryPop(out result);
});

//等待t2和t3执行完
Task.WaitAll(t2, t3);

 //t4z再执行
var t4 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    Console.WriteLine("当前集合元素个数：" + stack.Count);
});

3、Task.WaitAny

等待任何一个任务完成，完成之后返回其完成的任务的Index:

var tokenSource = new CancellationTokenSource();
    CancellationToken token = tokenSource.Token;
    var task1 = createTask(token,2);
    var task2 = createTask(token, 5);
    task1.Start();
    task2.Start();
    Console.WriteLine("Waiting for tasks to complete.");
    var
index 
 = Task.WaitAny(task1, task2);
    Console.WriteLine("Tasks Completed.Index is {0}",index);

十、异常处理

在TPL中，异常的触发器主要是这几个：
Task.Wait(), Task.WaitAll(), Task,WaitAny(),Task.Result。而在TPL出现的异常都会以AggregateException的示例抛出，我们在进行基本的异常处理时，可以通过查看AggregateException的InnerExceptions来进行内部异常的捕获：

var tokenSource = new CancellationTokenSource();
    var token = tokenSource.Token;
    var task1 = new Task(() =>
    {
        throw new NullReferenceException() {
Source 
="task1"};
    });
    var task2 = new Task(() =>
    {
        throw new ArgumentNullException("a", "a para can not be null") { Source="task2"};
    });
    task1.Start(); task2.Start(); 
    try
    {
        Task.WaitAll(task1, task2);
    }
    catch(AggregateException ex)
    {
        foreach (Exception inner in ex.InnerExceptions)
        {
            Console.WriteLine("Exception type {0} from {1}",
            inner.GetType(), inner.Source);
        }
    }

同时，我们还可以通过Task的几个属性来判断Task的状态，如：IsCompleted, IsFaulted, IsCancelled,Exception。

另外，AggregateException中还提供了Handle方法来给我们方法来给我们处理每个内部 异常，每个异常发生时都会调用Handle传入的delegate ，同时我们需要通过返回True,False来告诉异常是否已经被处理，比如对于OperationCanceledException我们知道是取消了Task，是肯定可以处理的：

try
    {
        Task.WaitAll(task1, task2, task3, task4);
    }
    catch(AggregateException ex)
    {
        ex.Handle((e) =>
        {
            if (e is OperationCanceledException)
            {
                return true;
            }
            else
            {
                return false;
            }
        });
        
    }

十一、执行晚加载的Task(Lazily Task)

晚加载，或者又名延迟初始化，主要的好处就是避免不必要的系统开销。在并行编程中，可以联合使用Lazy变量和Task<>.Factory.StartNew()做到这点。(Lazy变量时.NET 4中的一个新特性，这里大家不用知道Lazy的具体细节)。

  Lazy变量只有在用到的时候才会被初始化。所以我们可以把Lazy变量和task的创建结合：只有这个task要被执行的时候才去初始化。

// do the same thing in a single statement
            Lazy<Task<string>> lazyData2 = new Lazy<Task<string>>(
            () => Task<string>.Factory.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("Task body working...");
                return "Task Result";
            }));

            Console.WriteLine("Calling second lazy variable");
            Console.WriteLine("Result from task: {0}", lazyData2.Value.Result);

　首先我们回想一下，在之前的系列文章中我们是怎么定义一个task的：直接new，或者通过task的factory来创建，因为创建task的代码是在main函数中的，所以只要new了一个task，那么这个task就被初始化。现在如果用了Lazy的task，那么现在我们初始化的就是那个Lazy变量了，而没有初始化task，(初始化Lazy变量的开销小于初始化task)，只有当调用了lazyData.Value时，Lazy变量中包含的那个task才会初始化。（这里欢迎大家提出自己的理解）

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