在盘算机中,一个线程就是一系列的命令,一个工作单元。操作体系可以管理多个线程,给每个线程分配cpu执行的时间片,然后切换差异的线程在这个cpu上执行。这种单核的处置惩罚器一次只能做一件事,不能同时做两件以上的事情,只是通过时间的分配来实现多个线程的执行。但是在多核处置惩罚器上,可以实现同时执行多个线程。操作体系可以将时间分配给第一个处置惩罚器上的线程,然后在另一个处置惩罚器上分配时间给另一个线程。
异步是相对于同步而言。跟多线程不能同一而论。
异步编程采用future或callback机制,以克制产生不必要的线程。(一个future代表一个将要完成的工作。)异步编程核心就是:启动了的操作将在一段时间后完成。这个操作正在执行时,不会阻塞原来的线程。启动了这个操作的线程,可以继承执行其他任务。当操作完成时,会关照它的future或者回调函数,以便让程序知道操作已经结束。
为什么要使用异步:
面向终端用户的GUI程序:异步编程进步了相应本领。可以使程序在执行任务时仍能相应用户的输入。
服务器端应用:实现了可扩展性。服务器应用可以利用线程池满意其可扩展性。
1、什么是异步?
异步操作通常用于执行完成时间可能较长的任务,如打开大文件、连接远程盘算机或查询数据库。异步操作在主应用程序线程以外的线程中执行。应用程序调用方法异步执行某个操作时,应用程序可在异步方法执行其任务时继承执行。
2、异步和同步的区别
假如以同步方式执行某个任务时,必要等待该任务完成,然后才华再继承执行另一个任务。而用异步执行某个任务时,可以在该任务完成之前执行另一个任务。**异步最重要的体现就是不排队,不阻塞**。
图:单线程同步
图:多线程同步
3、异步跟多线程
异步可以在单个线程上实现,也可以在多个线程上实现,还可以不必要线程(一些IO操作)。
图:单线程异步
图:多线程异步
4、异步应用
.NET Framework 的许多方面都支持异步编程功能,这些方面包括:
1)文件 IO、流 IO、套接字 IO。
2)网络。
3)远程处置惩罚信道(HTTP、TCP)和代理。
4)使用 ASP.NET 创建的 XML Web services。
5)ASP.NET Web 窗体。
6)使用 MessageQueue 类的消息队列。
.NET Framework 为异步操作提供两种设计模式:
1)使用 IAsyncResult 对象的异步操作。
2)使用事件的异步操作。
IAsyncResult 设计模式允许多种编程模型,但更加复杂不易学习,可提供大多数应用程序都不要求的灵活性。可能的话,类库设计者应使用事件驱动模型实现异步方法。在某些环境下,库设计者还应实现基于 IAsyncResult 的模型。
使用 IAsyncResult 设计模式的异步操作是通过名为 Begin操作名称和End操作名称的两个方法来实现的,这两个方法分别开始和结束异步操作操作名称。比方,FileStream 类提供 BeginRead 和 EndRead 方法来从文件异步读取字节。这两个方法实现了 Read 方法的异步版本。在调用 Begin操作名称后,应用程序可以继承在调用线程上执行指令,同时异步操作在另一个线程上执行。每次调用 Begin操作名称 时,应用程序还应调用 End操作名称来获取操作的结果。Begin操作名称 方法开始异步操作操作名称并返回一个实现 IAsyncResult 接口的对象。 .NET Framework 允许您异步调用任何方法。定义与您必要调用的方法具有相同签名的委托;公共语言运行库将自动为该委托定义具有恰当签名的 BeginInvoke 和 EndInvoke 方法。
IAsyncResult 对象存储有关异步操作的信息。下表提供了有关异步操作的信息。
名称说明AsyncState获取用户定义的对象,它限定或包含关于异步操作的信息。AsyncWaitHandle获取用于等待异步操作完成的 WaitHandle。CompletedSynchronously获取一个值,该值指示异步操作是否同步完成。IsCompleted获取一个值,该值指示异步操作是否已完 5、应用实例
案例1-读取文件
通常读取文件是一个比较耗时的工作,特别是读取大文件的时候,常见的上传和下载。但是我们又不想让用户不停等待,用户同样可以举行其他操作,可以使得体系有良好的交互性。这里我们写了同步调用和异步调用来举行比较说明。
- using System;
- using System.IO;
- using System.Threading;
- namespace AsynSample
- {
- class FileReader
- {
- /// <summary>
- /// 缓存池
- /// </summary>
- private byte[] Buffer { get; set; }
- /// <summary>
- /// 缓存区大小
- /// </summary>
- public int BufferSize { get; set; }
- public FileReader(int bufferSize)
- {
- this.BufferSize = bufferSize;
- this.Buffer = new byte[BufferSize];
- }
- /// <summary>
- /// 同步读取文件
- /// </summary>
- /// <param name="path">文件路径</param>
- public void SynsReadFile(string path)
- {
- Console.WriteLine("同步读取文件 begin");
- using (FileStream fs = new FileStream(path, FileMode.Open))
- {
- fs.Read(Buffer, 0, BufferSize);
- string output = System.Text.Encoding.UTF8.GetString(Buffer);
- Console.WriteLine("读取的文件信息:{0}",output);
- }
-
- Console.WriteLine("同步读取文件 end");
- }
- /// <summary>
- /// 异步读取文件
- /// </summary>
- /// <param name="path"></param>
- public void AsynReadFile(string path)
- {
- Console.WriteLine("异步读取文件 begin");
- //执行Endread时报错,fs已经释放,注意在异步中不能使用释放需要的资源
- //using (FileStream fs = new FileStream(path, FileMode.Open))
- //{
- // Buffer = new byte[BufferSize];
- // fs.BeginRead(Buffer, 0, BufferSize, AsyncReadCallback, fs);
- //}
- if (File.Exists(path))
- {
- FileStream fs = new FileStream(path, FileMode.Open);
- fs.BeginRead(Buffer, 0, BufferSize, AsyncReadCallback, fs);
- }
- else
- {
- Console.WriteLine("该文件不存在");
- }
- }
- /// <summary>
- ///
- /// </summary>
- /// <param name="ar"></param>
- void AsyncReadCallback(IAsyncResult ar)
- {
- FileStream stream = ar.AsyncState as FileStream;
- if (stream != null)
- {
- Thread.Sleep(1000);
- //读取结束
- stream.EndRead(ar);
- stream.Close();
- string output = System.Text.Encoding.UTF8.GetString(this.Buffer);
- Console.WriteLine("读取的文件信息:{0}", output);
- }
- }
- }
- }
复制代码 测试代码
- using System;
- using System.Threading;
- namespace AsynSample
- {
- class Program
- {
- static void Main(string[] args)
- {
- FileReader reader = new FileReader(1024);
- //改为自己的文件路径
- string path = "C:\\Windows\\DAI.log";
- Console.WriteLine("开始读取文件了...");
- //reader.SynsReadFile(path);
- reader.AsynReadFile(path);
- Console.WriteLine("我这里还有一大滩事呢.");
- DoSomething();
- Console.WriteLine("终于完事了,输入任意键,歇着!");
- Console.ReadKey();
- }
- /// <summary>
- ///
- /// </summary>
- static void DoSomething()
- {
- Thread.Sleep(1000);
- for (int i = 0; i < 10000; i++)
- {
- if (i % 888 == 0)
- {
- Console.WriteLine("888的倍数:{0}",i);
- }
- }
- }
- }
- }
复制代码 同步输出:
异步输出:
结果分析:
假如是同步读取,在读取时,当火线程读取文件,只能比及读取完毕,才华执行以下的操作
而异步读取,是创建了新的线程,读取文件,而主线程,继承执行。我们可以开启任务管理器来举行监督。
案例二–基于委托的异步操作
体系自带一些类具有异步调用方式,怎样使得自定义对象也具有异步功能呢?
我们可以借助委托来轻松实现异步。
说到BeginInvoke,EndInvoke就不得不停下来看一下委托的本质。为了便于理解委托,我定义一个简单的委托:
- public delegate string MyFunc(int num, DateTime dt);
复制代码 我们再来看一下这个委托在编译后的程序集中是个什么样的:

委托被编译成一个新的类型,拥有BeginInvoke,EndInvoke,Invoke这三个方法。前二个方法的组合使用便可实现异步调用。第三个方法将以同步的方式调用。 其中BeginInvoke方法的末了二个参数用于回调,其它参数则与委托的包装方法的输入参数是匹配的。 EndInvoke的返回值与委托的包装方法的返回值匹配。
异步实现文件下载:
- using System;
- using System.Text;
- namespace AsynSample
- {
- /// <summary>
- /// 下载委托
- /// </summary>
- /// <param name="fileName"></param>
- public delegate string AysnDownloadDelegate(string fileName);
- /// <summary>
- /// 通过委托实现异步调用
- /// </summary>
- class DownloadFile
- {
- /// <summary>
- /// 同步下载
- /// </summary>
- /// <param name="fileName"></param>
- public string Downloading(string fileName)
- {
- string filestr = string.Empty;
- Console.WriteLine("下载事件开始执行");
- System.Threading.Thread.Sleep(3000);
- Random rand = new Random();
- StringBuilder builder =new StringBuilder();
- int num;
- for(int i=0;i<100;i++)
- {
- num = rand.Next(1000);
- builder.Append(i);
- }
- filestr = builder.ToString();
- Console.WriteLine("下载事件执行结束");
- return filestr;
- }
- /// <summary>
- /// 异步下载
- /// </summary>
- public IAsyncResult BeginDownloading(string fileName)
- {
- string fileStr = string.Empty;
- AysnDownloadDelegate downloadDelegate = new AysnDownloadDelegate(Downloading);
- return downloadDelegate.BeginInvoke(fileName, Downloaded, downloadDelegate);
- }
- /// <summary>
- /// 异步下载完成后事件
- /// </summary>
- /// <param name="result"></param>
- private void Downloaded(IAsyncResult result)
- {
- AysnDownloadDelegate aysnDelegate = result.AsyncState as AysnDownloadDelegate;
- if (aysnDelegate != null)
- {
- string fileStr = aysnDelegate.EndInvoke(result);
- if (!string.IsNullOrEmpty(fileStr))
- {
- Console.WriteLine("下载文件:{0}", fileStr);
- }
- else
- {
- Console.WriteLine("下载数据为空!");
- }
- }
- else
- {
- Console.WriteLine("下载数据为空!");
- }
- }
- }
- }
复制代码 通过案例,我们发现,使用委托能够很容易的实现异步。这样,我们就可以自定义自己的异步操作了。
Task模式的异步
Task是在Framework4.0提出来的新概念。Task自己就表示一个异步操作(*Task默认是运行在线程池里的线程上*)。它比线程更轻量,可以更高效的利用线程。并且任务提供了更多的控制操作。
- 实现了控制任务执行次序
- 实现父子任务
- 实现了任务的取消操作
- 实现了进度报告
- 实现了返回值
- 实现了随时检察任务状态
任务的执行默认是由任务调理器来实现的(*任务调用器使这些任务并行执行*)。任务的执行和线程不是一一对应的。有可能会是几个任务在同一个线程上运行,充实利用了线程,克制一些短时间的操作单独跑在一个线程里。所以任务更恰当CPU密集型操作。
Task 启动
任务可以赋值立刻运行,也可以先由构造函数赋值,之后再调用。
- //启用线程池中的线程异步执行
- Task t1 = Task.Factory.StartNew(() =>
- {
- Console.WriteLine("Task启动...");
- });
- //启用线程池中的线程异步执行
- Task t2 = Task.Run(() =>
- {
- Console.WriteLine("Task启动...");
- });
- Task t3 = new Task(() =>
- {
- Console.WriteLine("Task启动...");
- });
- t3.Start();//启用线程池中的线程异步执行
- t3.RunSynchronously();//任务同步执行
复制代码 Task 等待任务结果,处置惩罚结果
- Task t1 = Task.Run(() =>
- {
- Console.WriteLine("Task启动...");
- });
- Task t2 = Task.Run(() =>
- {
- Console.WriteLine("Task启动...");
- });
- //调用WaitAll() ,会阻塞调用线程,等待任务执行完成 ,这时异步也没有意义了
- Task.WaitAll(new Task[] { t1, t2 });
- Console.WriteLine("Task完成...");
- //调用ContinueWith,等待任务完成,触发下一个任务,这个任务可当作任务完成时触发的回调函数。
- //为了获取结果,同时不阻塞调用线程,建议使用ContinueWith,在任务完成后,接着执行一个处理结果的任务。
- t1.ContinueWith((t) =>
- {
- Console.WriteLine("Task完成...");
- });
- t2.ContinueWith((t) =>
- {
- Console.WriteLine("Task完成...");
- });
- //调用GetAwaiter()方法,获取任务的等待者,调用OnCompleted事件,当任务完成时触发
- //调用OnCompleted事件也不会阻塞线程
- t1.GetAwaiter().OnCompleted(() =>
- {
- Console.WriteLine("Task完成...");
- });
- t2.GetAwaiter().OnCompleted(() =>
- {
- Console.WriteLine("Task完成...");
- });
复制代码 Task 任务取消
- //实例化一个取消实例
- var source = new CancellationTokenSource();
- var token = source.Token;
- Task t1 = Task.Run(() =>
- {
- Thread.Sleep(2000);
- //判断是否任务取消
- if (token.IsCancellationRequested)
- {
- //token.ThrowIfCancellationRequested();
- Console.WriteLine("任务已取消");
- }
- Thread.Sleep(500);
- //token传递给任务
- }, token);
- Thread.Sleep(1000);
- Console.WriteLine(t1.Status);
- //取消该任务
- source.Cancel();
- Console.WriteLine(t1.Status);
复制代码 Task 返回值
- Task<string> t1 = Task.Run(() => TaskMethod("hello"));
- t1.Wait();
- Console.WriteLine(t1.Result);
- public string TaskMethod(string str)
- {
- return str + " from task method";
- }
复制代码 Task异步操作,必要注意的一点就是调用Waitxxx方法,会阻塞调用线程。
async await 异步
起主要明确一点的就是async await 不会创建线程。并且他们是一对关键字,必须成对的出现。
假如await的表达式没有创建新的线程,那么一个异步操作就是在调用线程的时间片上执行,否则就是在另一个线程上执行。
- async Task MethodAsync()
- {
- Console.WriteLine("异步执行");
- await Task.Delay(4000);
- Console.WriteLine("异步执行结束");
- }
复制代码 一个异步方法必须有async修饰,且方法名以Async结尾。异步方法体至少包含一个await表达式。await 可以看作是一个挂起异步方法的一个点,且同时把控制权返回给调用者。异步方法的返回值必须是Task或者Task 。即假如方法没有返回值那就用Task表示,假如有一个string类型的返回值,就用Task泛型Task 修饰。
异步方法执行流程:
- 主线程调用MethodAsync方法,并等待方法执行结束
- 异步方法开始执行,输出“异步执行”
- 异步方法执行到await关键字,此时MethodAsync方法挂起,等待await表达式执行完毕,同时将控制权返回给调用方主线程,主线程继承执行。
- 执行Task.Delay方法,同时主线程继承执行之后的方法。
- Task.Delay结束,await表达式结束,MehtodAsync执行await表达式之后的语句,输出“异步执行结束”。
和其他方法一样,async方法开始时以同步方式执行。在async内部,await关键字对它的参数执行一个异步等待。它起首检查操作是否已经完成,假如完成了,就继承运行(同步方式)。否则它会停息async方法,并返回,留下一个未完成的Task。一段时间后,操作完成,async方法就恢复运行。
一个async方法是由多个同步执行的程序块组成的,每个同步程序块之间由await语句分隔。第一个同步程序块是在调用这个方法的线程中执行,但其他同步程序块在哪里运行呢?环境比较复杂。
最常见的环境是用await语句等待一个任务完成,当该方法在await处停息时,就可以捕获上下文(context)。假如当前SynchronizationContext不为空,这个上下文就是当前SynchronizationContext。假如为空,则这个上下文为当前TaskScheduler。该方法会在这个上下文中继承运行。一般来说,运行在UI线程时采用UI上下文,处置惩罚Asp.Net哀求时采用Asp.Net哀求上下文,其他许多环境下则采用线程池上下文。
由于,在上面的代码中,每个同步程序块会试图在原始的上下文中恢复运行。假如在UI线程调用async方法,该方法的每个同步程序块都将在此UI线程上运行。但是,假如在线程池中调用,每个同步程序块将在线程池上运行。
假如要克制这种行为,可以在await中使用configureAwait方法,将参数ContinueOnCapturedContext设置为false。async方法中await之前的代码会在调用的线程里运行。在被await停息后,await之后的代码则会在线程池里继承运行。
- async Task MethodAsync()
- {
- Console.WriteLine("异步执行");//同步程序块1
- await Task.Delay(4000).ConfigureAwait(false);
- Console.WriteLine("异步执行结束");//同步程序块2
- }
复制代码 我们可能想固然的认为Task.Delay会阻塞执行线程,就跟Thread.Sleep一样。实在他们是不一样的。Task.Delay创建一个将在设置时间后执行的任务。就相当于一个定时器,多少时间后再执行操作。不会阻塞执行线程。
当我们在异步线程中调用Sleep的时候,只会阻塞异步线程。不会阻塞到主线程。
- async Task Method2Async()
- {
- Console.WriteLine("await执行前..."+Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
- await Task.Run(() =>
- {
- Console.WriteLine("await执行..." + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
- Thread.Sleep(5000);
- Console.WriteLine("await执行结束..." + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
-
- });
- Console.WriteLine("await之后执行..."+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
- }
- //输出:
- //await执行前...9
- //await执行...12
- //await之后执行...9
- //await执行结束...12
复制代码 上面的异步方法,Task创建了一个线程池线程,Thread.Sleep执行在线程池线程中。
异步案例
C#并行库Parallel类介绍
Parallel类是对线程的一个抽象。该类位于System.Threading.Tasks名称空间中,提供了数据和任务并行性。
Paraller类定义了数据并行地For和ForEach的静态方法,以及任务并行的Invoke的静态方法。Parallel.For()和Parallel.ForEach()方法在每次迭代中调用相同的代码,Paraller.Invoke()允许调用差异的方法。
1.Parallel.For
Parallel.For()方法类似C#语法的for循环语句,多次执行一个任务。但该方法并行运行迭代,迭代的次序没有定义。
Parallel.For()方法中,前两个参数定义了循环的开头和结束,第三个参数是一个Action委托。Parallel.For方法返回类型是ParallelLoopResult结构,它提供了循环是否结束的信息。
Parallel.For有多个重载版本和多个泛型重载版本。
示例:
- static void ForTest()
- {
- ParallelLoopResult plr = Parallel.For(0, 10, i =>
- {
- Console.WriteLine("{0},task:{1},thread:{2}", i, Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
- Thread.Sleep(5000);
- });
- if (plr.IsCompleted)
- {
- Console.WriteLine("completed!");
- }
- }
复制代码 输出:
任务不肯定映射到一个线程上。线程也可以被差异的任务重用。
上面的例子,使用了.NET 4.5中新增的Thread.Sleep方法,而不是Task.Delay方法。Task.Delay是一个异步方法,用于开释线程供其它任务使用。
示例:
- static void ForTestDelay() {
- ParallelLoopResult plr = Parallel.For(0, 10, async i = >{
- Console.WriteLine("{0},task:{1},thread:{2}", i, Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
- await Task.Delay(1000);
- Console.WriteLine("{0},task:{1},thread:{2}", i, Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
- });
- if (plr.IsCompleted) Console.WriteLine("completed!");
- Console.ReadKey();
- }
复制代码 输出:
上面代码使用了await关键字举行耽误,输出结果显示耽误前后的代码运行在差异的线程中。而且耽误后的任务不再存在,只留下线程,这里还重用了前面的线程。另一个重要的方面是,Parallel类的For方法并没有等待耽误,而是直接完成。parallel类只等待它创建的任务,而不等待其它后台活动。所以上面代码使用了Console.ReadKey();使主线程不停运行,否则很可能看不到后面的输出。
2.提前停止Parallel.For
For()方法的一个重载版本接受第三个Action<int,ParallelLoopState>委托类型的参数。使用这个方法可以调用ParallelLoopState的Break()或Stop()方法,以停止循环。
注意,前面说到,迭代的次序是没有定义的。
示例:
- static void ForStop() {
- ParallelLoopResult plr = Parallel.For(0, 10, (int i, ParallelLoopState pls) =>{
- Console.WriteLine("{0},task:{1},thread:{2}", i, Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
- if (i > 5) pls.Break();
- });
- Console.WriteLine("is completed:{0}", plr.IsCompleted);
- Console.WriteLine("最低停止索引:{0}", plr.LowestBreakIteration);
- }
复制代码 输出:
迭代值在大于5时中断,但其它已开始的任务同时执行。
3.对Parallel.For中的每个线程初始化
Parallel.For方法使用多个线程来执行循环,假如必要对每个线程举行初始化,就可以使用Parallel.For ()方法。除了from和to对应的值之外,Parallel.For方法的泛型版本还接受3个委托参数:
第一个委托参数的类型是Func ,这个方法仅对用于执行迭代的每个线程调用每一次。
第二个委托参数为循环体定义了委托。该参数类型是Func<int, ParallelLoopState, TLocal, TLocal>。其中第一个参数是循环迭代,第二个参数ParallelLoopState允许停止循环,第三个参数接受从上面参数委托Func 返回的值,该委托还需返回一个TLocal类型的值。该方法对每次迭代调用。
第三个委托参数指定一个委托Action ,接受第二个委托参数的返回值。这个方法仅对用于执行迭代的每个线程调用每一次。
示例:
- static void ForInit() {
- ParallelLoopResult plr = Parallel.For(0, 10, () = >{
- Console.WriteLine("init thread:{0},task:{1}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, Task.CurrentId);
- return Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString();
- },
- (i, pls, strInit) = >{
- Console.WriteLine("body:{0},strInit:{1},thraed:{2},task:{3}", i, strInit, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, Task.CurrentId);
- return i.ToString();
- },
- (strI) = >{
- Console.WriteLine("finally {0}", strI);
- });
- }
复制代码 输出:
4.Parallel.ForEach
Parallel.ForEach方法遍历实现了IEnumerable的集合,类似于foreach,但以异步方式遍历。没有确定遍历次序。
示例:
- static void ForeachTest() {
- string[] data = {
- "zero",
- "one",
- "two",
- "three",
- "four",
- "five",
- "six",
- "seven",
- "eight",
- "nine",
- "ten",
- "eleven",
- "twelve"
- };
- ParallelLoopResult plr = Parallel.ForEach < string > (data, s = >{
- Console.WriteLine(s);
- });
- if (plr.IsCompleted) Console.WriteLine("completed!");
- }
复制代码 假如必要中断,可以使用ForEach的重载版本和参数ParallelLoopState。
访问索引器:
- ParallelLoopResult plr1 = Parallel.ForEach < string > (data, (s, pls, l) = >{
- Console.WriteLine("data:{0},index:{1}", s, l);
- });
复制代码 5.Parallel.Invoke
假如多个任务并行运行,可以使用Parallel.Invoke方法。该方法允许转达一个Action委托数组。
- static void ParallerInvoke() {
- Action[] funs = {
- Fun1,
- Fun2
- };
- Parallel.Invoke(funs);
- }
- static void Fun1() {
- Console.WriteLine("f1");
- Console.WriteLine("task:{0},thread:{1}", Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
- }
- static void Fun2() {
- Console.WriteLine("f2");
- Console.WriteLine("task:{0},thread:{1}", Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
- }
复制代码
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