async & await 與 task 和 thread

async 和 await 出現在C# 5.0之後，給並行編程帶來了不少的方便，特別是當在MVC中的Action也變成async之後，有點開始什麼都是async的味道了。但是這也給我們編程埋下了一些隱患，有時候可能會產生一些我們自己都不知道怎麼產生的Bug，特別是如果連線程基礎沒有理解的情況下，更不知道如何去處理了。那今天我們就來好好看看這兩兄弟和他們的叔叔（Task）爺爺(Thread)們到底有什麼區別和特點，本文將會對Thread 到 Task 再到 .NET 4.5的 async和 await，這三種方式下的並行編程作一個概括性的介紹包括：開啓線程，線程結果返回，線程中止，線程中的異常處理等。

創建線程

static void Main(){
    new Thread(Go).Start();  // .NET 1.0開始就有的 
    Task.Factory.StartNew(Go); // .NET 4.0 引入了 TPL
    Task.Run(new Action(Go)); // .NET 4.5 新增了一個Run的方法
}
 
public static void Go(){
    Console.WriteLine("我是另一個線程");
}

這裏面需要注意的是，創建Thread的實例之後，需要手動調用它的Start方法將其啓動。但是對於Task來說，StartNew和Run的同時，既會創建新的線程，並且會立即啓動它。

線程池

線程的創建是比較佔用資源的一件事情，.NET 爲我們提供了線程池來幫助我們創建和管理線程。Task是默認會直接使用線程池，但是Thread不會。如果我們不使用Task，又想用線程池的話，可以使用ThreadPool類。

static void Main() {
    Console.WriteLine("我是主線程：Thread Id {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(Go);
 
    Console.ReadLine();
}
 
public static void Go(object data) {
    Console.WriteLine("我是另一個線程:Thread Id {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}

傳入參數

static void Main() {
    new Thread(Go).Start("arg1"); // 沒有匿名委託之前，我們只能這樣傳入一個object的參數
 
    new Thread(delegate(){  // 有了匿名委託之後...
        GoGoGo("arg1", "arg2", "arg3");
    });
 
    new Thread(() => {  // 當然,還有 Lambda
        GoGoGo("arg1","arg2","arg3");
    }).Start();
 
    Task.Run(() =>{  // Task能這麼靈活，也是因爲有了Lambda呀。
        GoGoGo("arg1", "arg2", "arg3");
    });
}
 
public static void Go(object name){
    // TODO
}
 
public static void GoGoGo(string arg1, string arg2, string arg3){
    // TODO
}

返回值

Thead是不能返回值的，但是作爲更高級的Task當然要彌補一下這個功能。

static void Main() {
    // GetDayOfThisWeek 運行在另外一個線程中
    var dayName = Task.Run<string>(() => { return GetDayOfThisWeek(); });
    Console.WriteLine("今天是：{0}",dayName.Result);
}

共享數據

上面說了參數和返回值，我們來看一下線程之間共享數據的問題。

private static bool _isDone = false;    
static void Main(){
    new Thread(Done).Start();
    new Thread(Done).Start();
}
 
static void Done(){
    if (!_isDone) {
        _isDone = true; // 第二個線程來的時候，就不會再執行了(也不是絕對的，取決於計算機的CPU數量以及當時的運行情況)
        Console.WriteLine("Done");
    }
}

線程之間可以通過static變量來共享數據。

線程安全

我們先把上面的代碼小小的調整一下，就知道什麼是線程安全了。我們把Done方法中的兩句話對換了一下位置。

private static bool _isDone = false;    
static void Main(){
    new Thread(Done).Start();
    new Thread(Done).Start();
    Console.ReadLine();
}
 
static void Done(){
    if (!_isDone) {
       Console.WriteLine("Done"); // 猜猜這裏面會被執行幾次？
        _isDone = true; 
    }
}

上面這種情況不會一直髮生，但是如果你運氣好的話，就會中獎了。因爲第一個線程還沒有來得及把_isDone設置成true，第二個線程就進來了，而這不是我們想要的結果，在多個線程下，結果不是我們的預期結果，這就是線程不安全。

鎖

要解決上面遇到的問題，我們就要用到鎖。鎖的類型有獨佔鎖，互斥鎖，以及讀寫鎖等，我們這裏就簡單演示一下獨佔鎖。

private static bool _isDone = false;
private static object _lock = new object();
static void Main(){
    new Thread(Done).Start();
    new Thread(Done).Start();
    Console.ReadLine();
}
 
static void Done(){
    lock (_lock){
        if (!_isDone){
            Console.WriteLine("Done"); // 猜猜這裏面會被執行幾次？
            _isDone = true;
        }
    }
}

再我們加上鎖之後，被鎖住的代碼在同一個時間內只允許一個線程訪問，其它的線程會被阻塞，只有等到這個鎖被釋放之後其它的線程才能執行被鎖住的代碼。

Semaphore 信號量

它可以控制對某一段代碼或者對某個資源訪問的線程的數量，超過這個數量之後，其它的線程就得等待，只有等現在有線程釋放了之後，下面的線程才能訪問。這個跟鎖有相似的功能，只不過不是獨佔的，它允許一定數量的線程同時訪問。

static SemaphoreSlim _sem = new SemaphoreSlim(3);    // 我們限制能同時訪問的線程數量是3
static void Main(){
    for (int i = 1; i <= 5; i++) new Thread(Enter).Start(i);
    Console.ReadLine();
}
 
static void Enter(object id){
    Console.WriteLine(id + " 開始排隊...");
    _sem.Wait();
    Console.WriteLine(id + " 開始執行！");          
    Thread.Sleep(1000 * (int)id);               
    Console.WriteLine(id + " 執行完畢，離開！");      
    _sem.Release();
}

在最開始的時候，前3個排隊之後就立即進入執行，但是4和5，只有等到有線程退出之後纔可以執行。

異常處理

其它線程的異常，主線程可以捕獲到麼？

public static void Main(){
    try{
        new Thread(Go).Start();
    }
    catch (Exception ex){
        // 其它線程裏面的異常，我們這裏面是捕獲不到的。
        Console.WriteLine("Exception!");
    }
}
static void Go() { throw null; }

那麼升級了的Task呢？

public static void Main(){
    try{
        var task = Task.Run(() => { Go(); });
        task.Wait();  // 在調用了這句話之後，主線程才能捕獲task裏面的異常
 
        // 對於有返回值的Task, 我們接收了它的返回值就不需要再調用Wait方法了
        // GetName 裏面的異常我們也可以捕獲到
        var task2 = Task.Run(() => { return GetName(); });
        var name = task2.Result;
    }
    catch (Exception ex){
        Console.WriteLine("Exception!");
    }
}
static void Go() { throw null; }
static string GetName() { throw null; }

一個小例子認識async & await

static void Main(string[] args){
    Test(); // 這個方法其實是多餘的, 本來可以直接寫下面的方法
    // await GetName()  
    // 但是由於控制檯的入口方法不支持async,所有我們在入口方法裏面不能 用 await
             
    Console.WriteLine("Current Thread Id :{0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}
 
static async Task Test(){
    // 方法打上async關鍵字，就可以用await調用同樣打上async的方法
    // await 後面的方法將在另外一個線程中執行
    await GetName();
}
 
static async Task GetName(){
    // Delay 方法來自於.net 4.5
    await Task.Delay(1000);  // 返回值前面加 async 之後，方法裏面就可以用await了
    Console.WriteLine("Current Thread Id :{0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    Console.WriteLine("In antoher thread.....");
}

await 的原形

await 後的執行順序

【注】await 之後不會開啓新的線程(await 從來不會開啓新的線程)，所以上面的圖是有一點問題的。

await 不會開啓新的線程，當前線程會一直往下走直到遇到真正的Async方法（比如說 HttpClient.GetStringAsync），這個方法的內部會用Task.Run或者Task.Factory.StartNew 去開啓線程。也就是如果方法不是 .NET爲我們提供的Async方法，我們需要自己創建Task，纔會真正的去創建線程。

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("Main Thread Id: {0}\r\n", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    Test();
    Console.ReadLine();
}
 
static async Task Test()
{
    Console.WriteLine("Before calling GetName, Thread Id: {0}\r\n", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    var name = GetName();   //我們這裏沒有用 await,所以下面的代碼可以繼續執行
    // 但是如果上面是 await GetName()，下面的代碼就不會立即執行，輸出結果就不一樣了。
    Console.WriteLine("End calling GetName.\r\n");
    Console.WriteLine("Get result from GetName: {0}", await name);
}
 
static async Task<string> GetName()
{
    // 這裏還是主線程
    Console.WriteLine("Before calling Task.Run, current thread Id is: {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    return await Task.Run(() =>
    {
        Thread.Sleep(1000);
        Console.WriteLine("'GetName' Thread Id: {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
        return "Jesse";
    });
}

我們再來看一下那張圖：

進入主線程開始執行
調用async方法，返回一個Task，注意這個時候另外一個線程已經開始運行，也就是GetName裏面的 Task 已經開始工作了
主線程繼續往下走
第3步和第4步是同時進行的，主線程並沒有掛起等待
如果另一個線程已經執行完畢，name.IsCompleted=true，主線程仍然不用掛起，直接拿結果就可以了。如果另一個線程還沒有執行完畢, name.IsCompleted=false，那麼主線程會掛起等待，直到返回結果爲止。

只有async方法在調用前才能加 await 麼？

static void Main(){
    Test();
    Console.ReadLine();
}
 
static async void Test(){
    Task<string> task = Task.Run(() =>{
        Thread.Sleep(5000);
        return "Hello World";
    });
    string str = await task;  //5 秒之後纔會執行這裏
    Console.WriteLine(str);
}

答案很明顯：await並不是針對於async的方法，而是針對async方法所返回給我們的Task，這也是爲什麼所有的async方法都必須返回給我們Task。所以我們同樣可以在Task前面也加上await關鍵字，這樣做實際上是告訴編譯器我需要等這個Task的返回值或者等這個Task執行完畢之後才能繼續往下走。

不用await關鍵字，如何確認Task執行完畢了？

static void Main(){
    var task = Task.Run(() =>{
        return GetName();
    });
 
    task.GetAwaiter().OnCompleted(() =>{
        // 2 秒之後纔會執行這裏
        var name = task.Result;
        Console.WriteLine("My name is: " + name);
    });
 
    Console.WriteLine("主線程執行完畢");
    Console.ReadLine();
}
 
static string GetName(){
    Console.WriteLine("另外一個線程在獲取名稱");
    Thread.Sleep(2000);
    return "Jesse";
}

Task.GetAwaiter()和await Task 的區別？

加上await關鍵字之後，後面的代碼會被掛起等待，直到task執行完畢有返回值的時候纔會繼續向下執行，這一段時間主線程會處於掛起狀態。
GetAwaiter方法會返回一個awaitable的對象（繼承了INotifyCompletion.OnCompleted方法）我們只是傳遞了一個委託進去，等task完成了就會執行這個委託，但是並不會影響主線程，下面的代碼會立即執行。這也是爲什麼我們結果裏面第一句話會是 “主線程執行完畢”！

Task如何讓主線程掛起等待？

上面的右邊是屬於沒有掛起主線程的情況，和我們的await仍然有一點差別，那麼在獲取Task的結果前如何掛起主線程呢？

static void Main(){
    var task = Task.Run(() =>{
        return GetName();
    });
 
    var name = task.GetAwaiter().GetResult();
    Console.WriteLine("My name is:{0}",name);
 
    Console.WriteLine("主線程執行完畢");
    Console.ReadLine();
}
 
static string GetName(){
    Console.WriteLine("另外一個線程在獲取名稱");
    Thread.Sleep(2000);
    return "Jesse";
}

Task.GetAwait()方法會給我們返回一個awaitable的對象，通過調用這個對象的GetResult方法就會掛起主線程，當然也不是所有的情況都會掛起。還記得我們Task的特性麼？在一開始的時候就啓動了另一個線程去執行這個Task，當我們調用它的結果的時候如果這個Task已經執行完畢，主線程是不用等待可以直接拿其結果的，如果沒有執行完畢那主線程就得掛起等待了。

await 實質是在調用awaitable對象的GetResult方法

static async Task Test(){
    Task<string> task = Task.Run(() =>{
        Console.WriteLine("另一個線程在運行！");  // 這句話只會被執行一次
        Thread.Sleep(2000);
        return "Hello World";
    });
 
    // 這裏主線程會掛起等待，直到task執行完畢我們拿到返回結果
    var result = task.GetAwaiter().GetResult();  
    // 這裏不會掛起等待，因爲task已經執行完了，我們可以直接拿到結果
    var result2 = await task;     
    Console.WriteLine(str);
}

async & await 與 task 和 thread

async & await 與 task 和 thread

創建線程

線程池

傳入參數

返回值

共享數據

線程安全

鎖

Semaphore 信號量

異常處理

await 的原形

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