C#中的异步编程

进程与线程

程序在启动时，系统会在内存中创建一个进程。进程是程序运行所需资源的集合，这些资源包括虚地址空间、文件句柄和其他程序运行所需的东西。在进程的内部，系统创建一个称为线程的内核对象，代表真正执行的程序。当线程被建立时，系统在Main方法的第一行语句处开始执行线程。关于线程：

默认情况下，一个进程只包含一个线程，从程序开始执行到结束；
线程可以派生其他线程，因此一个进程可能包含多个不同状态的线程，执行程序的不同部分；
一个进程如果包含多个线程，这些线程共享进程的资源；
系统中处理器执行的规划单元是线程，不是进程。

同步与异步

同步是指从语句出现的先后顺序执行直到完成。
异步指语句并不严格按照出现的顺序执行。有时需要在一个新的线程中运行一部分代码，有时无需创建新的线程，为了提高单个线程的效率，改变代码的执行顺序。

当某个操作需要花费大量的时间进行处理，若是使用同步编程，那么程序在等待响应的时间内不能处理其他事物，这样效率比较低；而使用异步编程时，在进行等待相应的时间内，程序可以利用等待的时间处理其他事物，当得到响应时，再回到响应处继续执行，这样程序的效率会更高。

同步方法与异步方法（async/await）

如果某个方法被调用时，等待所有的执行操作完成后在进行后续操作，该方法为同步的；异步方法则在该方法处理完成前就回到被调用处。
同步方法示例：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        MyDownLoadString my=new MyDownLoadString();
        my.DoRun();

        Console.ReadKey();
    }
}
class MyDownLoadString
{
    Stopwatch sw=new Stopwatch();

    public void DoRun()
    {
        const int largeNumber = 600000;
        sw.Start();
        int t1 = CountCharacters(1, "http://www.baidu.com");
        int t2 = CountCharacters(2, "https://www.jd.com");
        CountToAlrgeNumnber(1,largeNumber);
        CountToAlrgeNumnber(2,largeNumber);
        CountToAlrgeNumnber(3,largeNumber);
        CountToAlrgeNumnber(4,largeNumber);
        Console.WriteLine("Chars in http://www.baidu.com        :{0}",t1);
        Console.WriteLine("Chars in https://www.jd.com            :{0}", t2);
    }

    private int CountCharacters(int id, string uristring)
    {
        WebClient wc1=new WebClient();
        Console.WriteLine("String call {0}      ：   {1, 4} ms",id,sw.Elapsed.TotalMilliseconds);
        string result=wc1.DownloadString(new Uri(uristring));
        Console.WriteLine("call {0} complete：   {1, 4} ms", id, sw.Elapsed.TotalMilliseconds);
        return result.Length;
    }

    private void CountToAlrgeNumnber(int id,int largerNumber)
    {
        for (int i = 0; i < largerNumber; i++)
        {

        }
        Console.WriteLine("  End Counting{0}:   {1,4} ms",id,sw.Elapsed.TotalMilliseconds);
    }
}

运行结果：

被调用的DoRun()方法的执行顺序是按照语句的时序进行的，在获取网址字符长度的时间内，程序进行等待并未做其他操作，整个程序执行完耗时为：779.6366ms

异步方法示例：

 static void Main(string[] args)
    {
        MyDownLoadStringAsync myAsync=new MyDownLoadStringAsync();
        myAsync.DoRun();

        Console.ReadKey();
    }    
class MyDownLoadStringAsync
{
    Stopwatch sw = new Stopwatch();

    public void DoRun()
    {
        const int largeNumber = 600000;
        sw.Start();
       Task <int> t1 = CountCharacters(1, "http://www.baidu.com");
       Task<int> t2 = CountCharacters(2, "https://www.jd.com");

        CountToAlrgeNumnber(1, largeNumber);
        CountToAlrgeNumnber(2, largeNumber);
        CountToAlrgeNumnber(3, largeNumber);
        CountToAlrgeNumnber(4, largeNumber);   
        Console.WriteLine("Chars in http://www.baidu.com        :{0}", t1.Result);
        Console.WriteLine("Chars in https://www.jd.com            :{0}", t2.Result);
    }

    private async  Task<int> CountCharacters(int id, string uristring)
    {
        WebClient wc1 = new WebClient();
        Console.WriteLine("String call {0}      ：   {1, 4} ms", id, sw.Elapsed.TotalMilliseconds);
        string result =  await  wc1.DownloadStringTaskAsync(new Uri(uristring));
        Console.WriteLine("call {0} complete：   {1, 4} ms", id, sw.Elapsed.TotalMilliseconds);
        return result.Length;
    }

    private void CountToAlrgeNumnber(int id, int largerNumber)
    {
        for (int i = 0; i < largerNumber; i++) ;
        Console.WriteLine("  End Counting{0}:   {1,4} ms", id, sw.Elapsed.TotalMilliseconds);
    }
}

运行结果：

从运行结果可以看出，当调用DoRun()方法时，执行顺序并不是按照语句的时序进行的，当调用

Task<int> t1 = CountCharacters(1, "http://www.baidu.com");
Task<int> t2 = CountCharacters(2, "https://www.jd.com");

方法时，在进入方法内部开始等待后，程序回到调用处DoRun()方法，利用等待的时间执行后续的

CountToAlrgeNumnber(1, largeNumber);
CountToAlrgeNumnber(2, largeNumber);
CountToAlrgeNumnber(3, largeNumber);
CountToAlrgeNumnber(4, largeNumber);

输出操作，当等待完成后，输出获取的网址字符串长度，整个方法耗时574.4725ms，而同步方法的耗时是779.6336ms。可见，异步方法的效率更高。

async/await 特性

C#中使用async/await特性创建异步方法。这个特性结构包括三个部分：

调用方法
```
 public void DoRun()
{
...
Task <int> t1 = CountCharacters(1, "http://www.baidu.com");
Task<int> t2 = CountCharacters(2, "https://www.jd.com");
...
} 
```
调用方法调用异步方法，在异步方法（可能在相同的线程，可能在新的线程）执行任务的时候继续执行自身任务。

异步方法

private async  Task<int> CountCharacters(int id, string uristring)
{
   ...
string result =  await  wc1.DownloadStringTaskAsync(new Uri(uristring));
...
return result.Length;
}

异步方法异步执行方法内的任务，进入到异步执行的任务处，立即返回到调用方法

await 表达式
await表达式指出需要异步执行的任务，异步方法也是到该处返回到调用方法，异步任务执行的时候，调用方法继续执行自身任务。异步方法中至少包含一个await表达式。

关于异步方法的说明：

方法签名中包含async关键字
async在方法返回值前，该关键字用以说明方法中包含至少一个await表达式，该关键字并不能创建任何异步任务。
异步方法具备三种返回类型: void、Task、Task

调用方法与异步方法之间的控制流

调用方法与异步方法之间的控制流图：

异步方法中可能包含多个await语句，当最后一个await语句所创建的异步任务执行完毕，Task的属性和返回值设置完成，await语句后的代码在异步方法内同步执行完成，异步方法执行完成并退出。

await表达式

异步方法中的await表达式指定一个异步任务。这个任务可能是一个Task类型的对象，也可能不是。默认情况下，该任务在当前线程下异步运行

await task;

这个任务是awaitable类型的对象，awaitable类型是指实现了GetAwaiter()的方法的类型，GetAwaiter()方法返回一个awaiter类型对象,awaiter类型包括成员：
>
- bool IsCompleted{get;}
- void OnCompleted(Action);
- void GetResult(); 或 T GetResult();

在实际使用过程中，并不需要自己构建awaitable类型(就好比使用yield return构建枚举类型(Enumerable)和枚举器类型(Enumerator)一样)，Task类是awaitable类型，使用Task类的对象在await表达式中即可创建指定的异步任务。BCL中包含许多异步方法，这些异步方法可以返回Task*

Task.Run()方法

Task.Run（）方法可以创建异步方法，与await表达式在当前线程创建异步任务不同的是，Task.Run()会在另一个线程上执行异步方法
Task.Run（）方法的参数为一个委托，该委托没有参数，有返回值，Task.Run（）方法的重载:
>
Task Run(Action action);
Task Run(Action action,CancellationToken token);
Task Run(Func function);
Task Run(Func function,CancellationToken token);
Task Run(Func function);
Task Run(Func function,CancellationToken token);
Task Run(Func

异步方法的取消

异步方法可以进行终止操作。异步方法的取消需要用到Task.Run()方法中的第二个参数类型——CancellationToken
Cancellation是System.Threading.Tasks命名空间中的一个类，异步方法的终止还需要该命名空间下的另一个类——CancellationTokenSource
>
CancellationTokenSouce cts=new CancellationTokenSource();
CancellationToken token=cts.Token;

CancellationTokenSource对象创建可以分配给不同任务的CancellationToken对象。持有CancellationTokenSource的对象可以调用其Cancel方法，将CancellationToken对象的IsCancellationRequested的值设置为True。
CancellationToken对象包含一个任务是否被取消的信息。持有CancellationToken对象的任务需要定期检查其状态。如果CancellationToken对象的IsCancellationRequested的值被设置为True,任务需停止并退出。
CancellationToken的IsCancellationRequested的值设置是不可逆的，只有一次，一旦该值为True,则不能更改了。

值得注意的是，CancellationTokenSource.Cancel()方法的调用并不会进行终止任务的操作，只是给CancellationToken对象的IsCancellationRequested的值设置为True，真正的终止操作是有持有CancellationToken对象的任务在检查其IsCancellationRequested的值之后所做的终止并退出。
示例代码：
>

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        CancellationTokenSource cts=new CancellationTokenSource();
        CancellationToken token = cts.Token;
        MyClass mc=new MyClass();
        Task t=mc.RunTask(token);
        Console.WriteLine("Async Action");
        Thread.Sleep(3000);
        cts.Cancel();
        t.Wait();
        Console.WriteLine("Was Canceled:{0}",token.IsCancellationRequested);
        Console.ReadKey();
    }
}
class MyClass
{
    private Stopwatch sw=new Stopwatch();
    public async Task RunTask(CancellationToken ct)
    {
        if (ct.IsCancellationRequested)
            return;
        await Task.Run(()=>CycleMethod(ct),ct);
    }
    void CycleMethod(CancellationToken ct)
    {
        sw.Start();
        Console.WriteLine("Starting CycleMethod at time {0,4}",sw.Elapsed.TotalMilliseconds);
        const int max = 5;
        for (int i = 0; i < max; i++)
        {
            if (ct.IsCancellationRequested)
                return;
            Thread.Sleep(1000);
            Console.WriteLine("{0} of {1} iterations completed at time {2,4}",i,max,sw.Elapsed.TotalMilliseconds);
        }
    }
}

运行结果：

上述代码中注释以下两行：
>

  //Thread.Sleep(3000);   
  //cts.Cancel();

运行结果：

当执行CancelationTokenSource.Cancel()后,由持有CancelationToken的RunTask任务检查IsCancelationRequested的属性值，此时为True，结束任务并退出。

方法的等待

方法的等待分为在调用方法中的等待和异步方法中的等待

调用方法中的同步等待

调用方法内可以调用任意数量的异步方法，可以先执行其他任务，然后接收异步方法返回的Task对象，也可以在等待某一个异步方法执行完毕后，在进行后续任务的处理。可以通过Task的实例方法task.Wait（）对任务进行等待。task.Wait()用于单一Task对象，对多个Task对象的等待，Task类提供两个静态方法，Task.WaitAll(),Task.WaitAny(),这两个方法的区别在于Task.WaitAll()是在调用方法内等待所有的异步方法执行完毕后在执行后续的任务，而Task.WaitAny()则是在调用方法内至少等待某一个异步任务完成，然后执行后续的任务，不必等待所有的异步方法执行完毕。

异步方法中的异步等待

在异步方法的内部，可以通过await 表达式来等待异步方法中的任务，这时控制权会回到调用方法，但在异步方法内部可以等待一个或所有任务的完成。通过Task的静态方法Task.WhenAny()和Task.WhenAll()来实现。
代码示例：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        MyDownloadString mc=new MyDownloadString();
        mc.DoRun();
        Console.ReadKey();
    }
}
class MyDownloadString
{
    public void DoRun()
    {
        Task<int> t = CountCharactersAsync("http://www.baidu.com", "http://www.hao123.com");
        Console.WriteLine("DoRun: Task{0} Finished",t.IsCompleted?"":"NOT");
        Console.WriteLine("DoRun: Result={0}",t.Result);
    }
    private async Task<int> CountCharactersAsync(string str1,string str2)
    {
        WebClient wc1=new WebClient();
        WebClient wc2=new WebClient();
        Task<string> t1= wc1.DownloadStringTaskAsync(new Uri(str1));
        Task<string> t2 = wc2.DownloadStringTaskAsync(new Uri(str2));
        List<Task<string>> tasks=new List<Task<string>>();
        tasks.Add(t1);
        tasks.Add(t2);
        await Task.WhenAny(tasks);
        Console.WriteLine("     CCA:    t1 {0} Completed",t1.IsCompleted?"":"NOT");
        Console.WriteLine("     CCA:    t2 {0} Completed", t2.IsCompleted ? "" : "NOT");
        return t1.IsCompleted ? t1.Result.Length : t2.Result.Length;
    }
}

运行结果：

这里使用WhenAll()方法，当执行到异步方法中的await()后，回到调用方法输出，完成异步执行，在异步方法中的内部其中一个任务执行完毕后，就完成异步方法的调用并回到调用方法。这里将WhenAny改为WhenAll,结果为：

WhenAll()方法则是在异步方法内部等待所有的任务完成才退出回到调用方法。

关于异步基础先总结到这里，还有BeginInvoke()和EndInvoke()以及等待——完成，轮询，回调等异步执行模式，有兴趣的朋友可以自己找找看

参考C#图解教程2012（第四版）

C#异步编程总结

C#中的异步编程

进程与线程

同步与异步

同步方法与异步方法（async/await）

async/await 特性

调用方法与异步方法之间的控制流

await表达式

Task.Run()方法

异步方法的取消

方法的等待

调用方法中的同步等待

异步方法中的异步等待

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