C#多线程和异步——Task和async/await详解

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一、什么是异步

　　同步和异步主要用于修饰方法。当一个方法被调用时，调用者需要等待该方法执行完毕并返回才能继续执行，我们称这个方法是同步方法；当一个方法被调用时立即返回，并获取一个线程执行该方法内部的业务，调用者不用等待该方法执行完毕，我们称这个方法为异步方法。

　　异步的好处在于非阻塞(调用线程不会暂停执行去等待子线程完成)，因此我们把一些不需要立即使用结果、较耗时的任务设为异步执行，可以提高程序的运行效率。net4.0在ThreadPool的基础上推出了Task类，微软极力推荐使用Task来执行异步任务，现在C#类库中的异步方法基本都用到了Task；net5.0推出了async/await，让异步编程更为方便。本篇主要介绍Task、async/await相关的内容，其他异步操作的方式会在下一篇介绍。

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二、Task介绍

2、Task的用法

　　2.1、创建任务
　　无返回值的方式
　　方式1:
　　var t1 = new Task(() => TaskMethod("Task 1"));
　　t1.Start();
　　Task.WaitAll(t1);//等待所有任务结束
　　注:
　　任务的状态:
　　Start之前为:Created
　　Start之后为:WaitingToRun

　　方式2:
　　Task.Run(() => TaskMethod("Task 2"));

　　方式3:
　　Task.Factory.StartNew(() => TaskMethod("Task 3")); 直接异步的方法
　　或者
　　var t3=Task.Factory.StartNew(() => TaskMethod("Task 3"));
　　Task.WaitAll(t3);//等待所有任务结束
　　注:
　　任务的状态:
　　Start之前为:Running
　　Start之后为:Running

　　Task是在ThreadPool的基础上推出的，我们简单了解下ThreadPool。ThreadPool中有若干数量的线程，如果有任务需要处理时，会从线程池中获取一个空闲的线程来执行任务，任务执行完毕后线程不会销毁，而是被线程池回收以供后续任务使用。当线程池中所有的线程都在忙碌时，又有新任务要处理时，线程池才会新建一个线程来处理该任务，如果线程数量达到设置的最大值，任务会排队，等待其他任务释放线程后再执行。线程池能减少线程的创建，节省开销，看一个ThreadPool的栗子吧

        static void Main(string[] args)
        {
            for (int i = 1; i <=10; i++)
            {
                //ThreadPool执行任务
                ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback((obj) => {
                    Console.WriteLine($"第{obj}个执行任务");
                }),i);
            }
            Console.ReadKey();
        }

　　上边的代码通过ThreadPool执行了10个任务，执行结果为：

　　ThreadPool相对于Thread来说可以减少线程的创建，有效减小系统开销；但是ThreadPool不能控制线程的执行顺序，我们也不能获取线程池内线程取消/异常/完成的通知，即我们不能有效监控和控制线程池中的线程。

1 Task创建和运行

　　我们知道了ThreadPool的弊端：我们不能控制线程池中线程的执行顺序，也不能获取线程池内线程取消/异常/完成的通知。net4.0在ThreadPool的基础上推出了Task，Task拥有线程池的优点，同时也解决了使用线程池不易控制的弊端。

首先看一下怎么去创建并运行一个Task，Task的创建和执行方式有如下三种：

        static void Main(string[] args)
        {
            //1.new方式实例化一个Task，需要通过Start方法启动
            Task task = new Task(() =>
            {
                Thread.Sleep(100);
                Console.WriteLine($"hello, task1的线程ID为{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
            });
            task.Start();

            //2.Task.Factory.StartNew(Action action)创建和启动一个Task
            Task task2 = Task.Factory.StartNew(() =>
              {
                  Thread.Sleep(100);
                  Console.WriteLine($"hello, task2的线程ID为{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
              });

            //3.Task.Run(Action action)将任务放在线程池队列，返回并启动一个Task
            Task task3 = Task.Run(() =>
              {
                  Thread.Sleep(100);
                  Console.WriteLine($"hello, task3的线程ID为{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
              });
            Console.WriteLine("执行主线程！");
            Console.ReadKey();
        }

执行结果如下：

　　我们看到先打印"执行主线程"，然后再打印各个任务，说明了Task不会阻塞主线程。上边的栗子Task都没有返回值，我们也可以创建有返回值的Task<TResult>，用法和没有返回值的基本一致,我们简单修改一下上边的栗子，代码如下：

        static void Main(string[] args)
        {
            ////1.new方式实例化一个Task，需要通过Start方法启动
            Task<string> task = new Task<string>(() =>
            {
                return $"hello, task1的ID为{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}";
            });
            task.Start();

            ////2.Task.Factory.StartNew(Func func)创建和启动一个Task
           Task<string> task2 =Task.Factory.StartNew<string>(() =>
            {
                return $"hello, task2的ID为{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}";
            });

            ////3.Task.Run(Func func)将任务放在线程池队列，返回并启动一个Task
           Task<string> task3= Task.Run<string>(() =>
            {
                return $"hello, task3的ID为{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}";
            });

            Console.WriteLine("执行主线程！");
            Console.WriteLine(task.Result);
            Console.WriteLine(task2.Result);
            Console.WriteLine(task3.Result);
            Console.ReadKey();
        }

　　注意task.Resut获取结果时会阻塞线程，即如果task没有执行完成，会等待task执行完成获取到Result，然后再执行后边的代码，程序运行结果如下：

　上边的所有栗子中Task的执行都是异步的，不会阻塞主线程。有些场景下我们想让Task同步执行怎么办呢？Task提供了 task.RunSynchronously()用于同步执行Task任务，代码如下：

        static void Main(string[] args)
        {
            Task task = new Task(() =>
            {
                Thread.Sleep(100);
                Console.WriteLine("执行Task结束!");
            });
            //同步执行，task会阻塞主线程
            task.RunSynchronously();
            Console.WriteLine("执行主线程结束！");
            Console.ReadKey();
        }

执行结果如下：

2 Task的阻塞方法(Wait/WaitAll/WaitAny)

1 Thread阻塞线程的方法

　　使用Thread时，我们知道用thread.Join()方法即可阻塞主线程。看一个例子：

        static void Main(string[] args)
        {
            Thread th1 = new Thread(() => {
                Thread.Sleep(500);
                Console.WriteLine("线程1执行完毕！");
            });
            th1.Start();
            Thread th2 = new Thread(() => {
                Thread.Sleep(1000);
                Console.WriteLine("线程2执行完毕！");
            });
            th2.Start();
            //阻塞主线程
            th1.Join();
            th2.Join();
            Console.WriteLine("主线程执行完毕！");
            Console.ReadKey();
        }

　　如果注释掉两个Join，执行结果是：先打印【主线程执行完毕】，而添加两个Join方法后执行结果如下，实现了线程阻塞：

2 Task的Wait/WaitAny/WaitAll方法

　　Thread的Join方法可以阻塞调用线程，但是有一些弊端：①如果我们要实现很多线程的阻塞时，每个线程都要调用一次Join方法；②如果我们想让所有的线程执行完毕(或者任一线程执行完毕)时，立即解除阻塞，使用Join方法不容易实现。Task提供了 Wait/WaitAny/WaitAll 方法，可以更方便地控制线程阻塞。

task.Wait() 表示等待task执行完毕，功能类似于thead.Join()； Task.WaitAll(Task[] tasks) 表示只有所有的task都执行完成了再解除阻塞； Task.WaitAny(Task[] tasks) 表示只要有一个task执行完毕就解除阻塞，看一个栗子：

        static void Main(string[] args)
        {
            Task task1 = new Task(() => {
                Thread.Sleep(500);
                Console.WriteLine("线程1执行完毕！");
            });
            task1.Start();
            Task task2 = new Task(() => {
                Thread.Sleep(1000);
                Console.WriteLine("线程2执行完毕！");
            });
            task2.Start();
            //阻塞主线程。task1,task2都执行完毕再执行主线程
　　　　　　　//执行【task1.Wait();task2.Wait();】可以实现相同功能
            Task.WaitAll(new Task[]{ task1,task2});
            Console.WriteLine("主线程执行完毕！");
            Console.ReadKey();
        }

　　执行结果如下：

　　如果将栗子中的WaitAll换成WaitAny，那么任一task执行完毕就会解除线程阻塞，执行结果是：先打印【线程1执行完毕】，然后打印【主线程执行完毕】，最后打印【线程2执行完毕】

3 Task的延续操作(WhenAny/WhenAll/ContinueWith)

　　上边的Wait/WaitAny/WaitAll方法返回值为void，这些方法单纯的实现阻塞线程。我们现在想让所有task执行完毕(或者任一task执行完毕)后，开始执行后续操作，怎么实现呢？这时就可以用到WhenAny/WhenAll方法了，这些方法执行完成返回一个task实例。 task.WhenAll(Task[] tasks) 表示所有的task都执行完毕后再去执行后续的操作， task.WhenAny(Task[] tasks) 表示任一task执行完毕后就开始执行后续操作。看一个栗子：

        static void Main(string[] args)
        {
            Task task1 = new Task(() => {
                Thread.Sleep(500);
                Console.WriteLine("线程1执行完毕！");
            });
            task1.Start();
            Task task2 = new Task(() => {
                Thread.Sleep(1000);
                Console.WriteLine("线程2执行完毕！");
            });
            task2.Start();
            //task1，task2执行完了后执行后续操作
            Task.WhenAll(task1, task2).ContinueWith((t) => {
                Thread.Sleep(100);
                Console.WriteLine("执行后续操作完毕！");
            });

            Console.WriteLine("主线程执行完毕！");
            Console.ReadKey();
        }

　　执行结果如下，我们看到WhenAll/WhenAny方法不会阻塞主线程，当使用WhenAll方法时所有的task都执行完毕才会执行后续操作；如果把栗子中的WhenAll替换成WhenAny，则只要有一个线程执行完毕就会开始执行后续操作，这里不再演示。

　　上边的栗子也可以通过 Task.Factory.ContinueWhenAll(Task[] tasks, Action continuationAction) 和 Task.Factory.ContinueWhenAny(Task[] tasks, Action continuationAction) 来实现，修改上边栗子代码如下，执行结果不变。

       static void Main(string[] args)
        {
            Task task1 = new Task(() => {
                Thread.Sleep(500);
                Console.WriteLine("线程1执行完毕！");
            });
            task1.Start();
            Task task2 = new Task(() => {
                Thread.Sleep(1000);
                Console.WriteLine("线程2执行完毕！");
            });
            task2.Start();
            //通过TaskFactroy实现
            Task.Factory.ContinueWhenAll(new Task[] { task1, task2 }, (t) =>
            {
                Thread.Sleep(100);
                Console.WriteLine("执行后续操作");
            });

            Console.WriteLine("主线程执行完毕！");
            Console.ReadKey();
        }

4 Task的任务取消(CancellationTokenSource)

1 Thread取消任务执行

　　在Task前我们执行任务采用的是Thread,Thread怎么取消任务呢？一般流程是：设置一个变量来控制任务是否停止，如设置一个变量isStop，然后线程轮询查看isStop，如果isStop为true就停止，代码如下：

        static void Main(string[] args)
        {
            bool isStop = false;
            int index = 0;
            //开启一个线程执行任务
            Thread th1 = new Thread(() =>
              {
                  while (!isStop)
                  {
                      Thread.Sleep(1000);
                      Console.WriteLine($"第{++index}次执行，线程运行中...");
                  }
              });
            th1.Start();
            //五秒后取消任务执行
            Thread.Sleep(5000);
            isStop = true;
            Console.ReadKey();
        }

2 Task取消任务执行

　　Task中有一个专门的类 CancellationTokenSource 来取消任务执行，还是使用上边的例子，我们修改代码如下，程序运行的效果不变。

        static void Main(string[] args)
        {
            CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();
            int index = 0;
            //开启一个task执行任务
            Task task1 = new Task(() =>
              {
                  while (!source.IsCancellationRequested)
                  {
                      Thread.Sleep(1000);
                      Console.WriteLine($"第{++index}次执行，线程运行中...");
                  }
              });
            task1.Start();
            //五秒后取消任务执行
            Thread.Sleep(5000);
            //source.Cancel()方法请求取消任务，IsCancellationRequested会变成true
            source.Cancel();
            Console.ReadKey();
        }

　　 CancellationTokenSource的功能不仅仅是取消任务执行，我们可以使用 source.CancelAfter(5000) 实现5秒后自动取消任务，也可以通过 source.Token.Register(Action action) 注册取消任务触发的回调函数，即任务被取消时注册的action会被执行。看一个栗子：

        static void Main(string[] args)
        {
            CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();
            //注册任务取消的事件
            source.Token.Register(() =>
            {
                Console.WriteLine("任务被取消后执行xx操作！");
            });

            int index = 0;
            //开启一个task执行任务
            Task task1 = new Task(() =>
              {
                  while (!source.IsCancellationRequested)
                  {
                      Thread.Sleep(1000);
                      Console.WriteLine($"第{++index}次执行，线程运行中...");
                  }
              });
            task1.Start();
            //延时取消，效果等同于Thread.Sleep(5000);source.Cancel();
            source.CancelAfter(5000);
            Console.ReadKey();
        }

　　执行结果如下，第5次执行在取消回调后打印，这是因为，执行取消的时候第5次任务已经通过了while()判断，任务已经执行中了：

　　最后看上一篇跨线程的栗子，点击按钮启动一个任务，给tetxtbox赋值，我们把Thread改成Task，代码如下：

    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void mySetValueBtn_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            Task.Run(() =>
            {
                Action<int> setValue = (i) => { myTxtbox.Text = i.ToString(); };
                for (int i = 0; i < 1000000; i++)
                {
                    myTxtbox.Invoke(setValue,i);
                }
            });
        }
    }

　　运行界面如下，赋值的task不会阻塞UI线程：

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三、异步方法(async/await)

　　在C#5.0中出现的 async和await ，让异步编程变得更简单。我们看一个获取文件内容的栗子：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            string content = GetContentAsync(Environment.CurrentDirectory + @"/test.txt").Result;
            //调用同步方法
            //string content = GetContent(Environment.CurrentDirectory + @"/test.txt");
            Console.WriteLine(content);
            Console.ReadKey();
        }
        //异步读取文件内容
        async static Task<string> GetContentAsync(string filename)
        {
            
            FileStream fs = new FileStream(filename, FileMode.Open);
            var bytes = new byte[fs.Length];
            //ReadAync方法异步读取内容，不阻塞线程
            Console.WriteLine("开始读取文件");
            int len = await fs.ReadAsync(bytes, 0, bytes.Length);
            string result = Encoding.UTF8.GetString(bytes);
            return result;
        }
        //同步读取文件内容
        static string GetContent(string filename)
        {
            FileStream fs = new FileStream(filename, FileMode.Open);
            var bytes = new byte[fs.Length];
            //Read方法同步读取内容，阻塞线程
            int len =  fs.Read(bytes, 0, bytes.Length);
            string result = Encoding.UTF8.GetString(bytes);
            return result;
        }
    }

　　test.txt内容是【hello world！】执行结果为：

　　上边的栗子也写出了同步读取的方式，将main函数中的注释去掉即可同步读取文件内容。我们可以看到异步读取代码和同步读取代码基本一致。async/await让异步编码变得更简单，我们可以像写同步代码一样去写异步代码。注意一个小问题：异步方法中方法签名返回值为Task<TResult>，代码中的返回值为TResult。上边栗子中GetContentAsync的签名返回值为Task<string>，而代码中返回值为string。牢记这一细节对我们分析异步代码很有帮助。通过上边的栗子我们知道aysnc/await的用法十分简单，那么aynsc标记的异步方法是怎样执行的呢？什么时候创建的任务线程？再看一个简单的栗子：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine(">>>>>>>>>>>>>>>>主线程启动");
            Task<string> task = GetStringAsync1();
            Console.WriteLine("<<<<<<<<<<<<<<<<主线程结束");
            Console.WriteLine($"GetStringAsync1执行结果：{task.Result}");
        }

        static async Task<string> GetStringAsync1()
        {
            Console.WriteLine(">>>>>>>>GetStringAsync1方法启动");
            string str = await GetStringAsync2();
            Console.WriteLine("<<<<<<<<GetStringAsync1方法结束");
            return str;
        }
        static async Task<string> GetStringAsync2()
        {
            Console.WriteLine(">>>>>>>>GetStringAsync2方法启动");
            string str = await GetStringFromTask();
            Console.WriteLine("<<<<<<<<GetStringAsync2方法结束");
            return str;
        }

        static Task<string> GetStringFromTask()
        {
            Console.WriteLine(">>>>GetStringFromTask方法启动");
            Task<string> task = new Task<string>(() =>
             {
                 Console.WriteLine(">>任务线程启动");
                 Thread.Sleep(1000);
                 Console.WriteLine("<<任务线程结束");
                 return "hello world";
             });
            task.Start();
            Console.WriteLine("<<<<GetStringFromTask方法结束");
            return task;
        }
    }

　　使用async/await时，主线程和执行同步代码一样，是一路执行到底的，执行到await时也没有返回main函数，而是创建了一个空闲的任务后继续往下执行，当所有的调用的方法都执行完毕后再返回main函数。主线程执行到task.Start()才创建任务线程，真正开始执行异步任务。当异步方法async Task<T>A()需要另一个异步方法async Task<T>B()的结果时，A()会等待B()完成异步任务再继续向下执行。程序执行结果如下：

　　小结：到这里Task，async/await的简单使用已经基本结束了，一些高级特性等到工作遇到了再去研究。通过上边的介绍，我们知道async/await是基于Task的，而Task是对ThreadPool的封装改进，主要是为了更有效的控制线程池中的线程(ThreadPool中的线程，我们很难通过代码控制其执行顺序，任务延续和取消等等)；ThreadPool基于Thread的，主要目的是减少Thread创建数量和管理Thread的成本。async/await Task是C#中更先进的，也是微软大力推广的特性，我们在开发中可以尝试使用Task来替代Thread/ThreadPool，处理本地IO和网络IO任务是尽量使用async/await来提高任务执行效率。