C# 异步编程知识总结

常见概念

已经有多线程了，为何还要异步

多线程与异步是不同的概念

• 异步并不意味着多线程，单线程同样可以异步(CPU调度)
• 异步默认借助多线程
• 多线程经常阻塞，而异步要求不阻塞

多线程与异步的适用场景不同

多线程

• 适合CPU密集型操作
• 适合长期运行的任务
• 线程的创建与销毁，开销较大
• 提供更底层的控制，操作线程、锁、信号量等
• 线程不易于传参和返回
• 线程的代码书写比较繁琐

异步

• 适合IO密集型操作
• 适合短暂的小任务
• 避免线程阻塞，提高系统响应能力

什么是异步任务(Task)

概念

• 包含了异步任务的各种状态的一个引用类型（Class）：正在运行、完成、结果、报错等。
• 另有ValueTask值类型版本。

对异步任务的抽象

• 开启异步任务后，当前线程并不会阻塞，而是可以去做其他事情。
• 异步任务（默认）会借助线程池在其他线程上运行
• 获取结果后回到之前的状态

任务的结果

• 返回值为Task的方法表示异步任务没有返回值
• 返回值为Task<T>则表示有类型为T的返回值

异步方法async Task

• 将方法标记为async，可以在方法中使用await关键字
• await关键字会等待异步任务的结束，并获得结果。（它其实是在阻塞当前任务所使用的线程，不能使用Task.Result(这是阻塞当前线程)）
• async+await会将方法包装成状态机（StateMachine），await类似于检查点(分为多个阶段)（MoveNext方法会被底层调用，从而切换状态）
• async Task
  • 返回值依旧是Task类型，但是在其中可以使用await关键字
  • 在其中写返回值可以直接写Task<T>中的T类型，不用包装成Task<T>
• async void
  • 同样是状态机，但是缺少记录状态的Task对象
  • 内部仍然可以使用await
  • 外部调用时无法使用await，只能直接调用
  • 内部的异常无法被catch到（无法聚合异常Aggregate Exception），需要谨慎处理异常。
  • 几乎只用于对事件的注册。
• 异步方法具有传染性（一处async，处处async）。几乎所有自带方法都提供了异步方法。

重要思想：不阻塞！

• await会暂时释放掉当前的线程，使得该线程可以执行其他工作，而不必阻塞线程直到异步操作完成。
• 不要在异步方法里用任何方式阻塞当前线程。
• 常见阻塞情形：
  • Task.Wait() & Task.Result，如果任务没有完成，则会阻塞当前线程，容易导致死锁。Task.GetAwater().GetResult()-不会将Exception包装为AggregateException。
  • Task.Delay() vs Thread.Sleep()
  • IO等操作的同步方法
  • 其他繁重且耗时的任务

同步上下文

• 一种管理和协调线程的机制，允许开发者将代码的执行切换到特定的线程。
• WinForms 与 WPF 拥有同步上下文（UI线程）。而控制台程序默认没有。
• ConfigureAwait(false)：配置任务通过await方法结束后是否会到原来的线程，默认为true。一般只有UI线程会采用这种策略。
• TaskScheduler：控制Task的调度方式和运行线程
  • 线程池线程Default
  • 当前线程CurrentThread
  • 单线程上下文STAThread
  • 长时间运行线程LongRunning
  • 优先级、上下文、执行状态等

一发即忘（Fire-and-forget）

• 调用一个异步方法，但是并不使用await或阻塞的方式去等待它的结束。
• 无法观察任务的状态（是否完成、是否报错等）

简单任务

如何创建异步任务？

• Task.Run()
• Task.Factory.StartNew()
  • 提供更多功能：比如TaskCreationOptions.LongRunning
  • Task.Run相当于简化版
• new Task()+Task.Start()

如何同时开启多个异步任务？

• 将多个创建好的异步任务添加到var tasks = List< Task>中，调用await Task.WhenAll(tasks);多个异步任务就同时开始直到所有的任务结束，再遍历task.Result可获得结果。
• await Task.WhenAny(tasks)，只要有任何一个Task结束，就结束等待，认为完成了。

异步任务如何取消

• 传入CancellationTokenSource cts的token至Task任务，在合适的实机调用cts.Cancel();在外部捕获TaskCanceledException & OperationCanceledException。

异步任务超时如何实现

• 通过Task.WhenAny()，判断率先完成的Task是否是目标Task。
• await task.WaitAsync(time);若catch到TimeoutException则目标Task超时。
• 异步任务超时后，记得取消掉目标Task。

在异步任务中汇报进度

在异步方法中调用IProgress的Report方法将进度value作为参数，触发IProgress自带委托方法进行进度显示。

如何在同步方法中调用异步方法

FooAsync().GetAwaiter().GetResult();

如何实现多个异步任务的同时完成

安装Nuget包：Microsoft.VisualStudio.Threading，使用AsyncBarrier实现。

常见误区

异步一定是多线程？

• 异步编程不一定需要多线程来实现，比如：时间片轮转调度。
• 比如可以在单个线程上使用异步I/O或事件驱动的编程模型（EAP）。
• 单线程异步：自己定好计时器，到时间之前先去做别的事。
• 多线程异步：将任务交给不同的线程，并由自己来进行指挥调度。

异步方法一定要写成async Task？

• async关键字只是用来配合await使用，从而将方法包装成状态机
• 本质上仍然是Task，只不过提供了语法糖，并且函数体中可以直接return Task的泛型类型
• 接口中无法声明async Task
• async void

await是否一定会切换上下文？

同步机制

传统方法（都不能用，因为是阻塞的）

• 异步方法不能用lock语句包装await语句（lock底层的Monitor必须在同一个线程上Enter和Exit）。
• Monitor（lock）
• Mutex
• Semaphore
• EventWaitHandle

轻量型

• SemaphoreSlim

并发集合

第三方库

其它

ValueTask

这种在异步任务中直接返回一个值的情况，我们称之为“同步完成”，或者“返回同步结果”。
线程进入这个异步任务后，并没有碰到 await 关键字，而是直接返回。
也就是说，这个异步任务自始至终都是在同一个线程上执行的。