新进阶的程序员可能对async、await用得比较多,却对之前的异步了解甚少。本人就是此类,因此打算回顾学习下异步的进化史。
本文主要是回顾async异步模式之前的异步,下篇文章再来重点分析async异步模式。
APM
APM 异步编程模型,Asynchronous Programming Model
早在C#1的时候就有了APM。虽然不是很熟悉,但是多少还是见过的。就是那些类是BeginXXX和EndXXX的方法,且BeginXXX返回值是IAsyncResult接口。
在正式写APM示例之前我们先给出一段同步代码:
//1、同步方法 private void button1_Click(object sender, EventArgs e) { Debug.WriteLine("【Debug】线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); var request = WebRequest.Create("https://github.com/");//为了更好的演示效果,我们使用网速比较慢的外网 request.GetResponse();//发送请求 Debug.WriteLine("【Debug】线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); label1.Text = "执行完毕!"; }
【说明】为了更好的演示异步效果,这里我们使用winform程序来做示例。(因为winform始终都需要UI线程渲染界面,如果被UI线程占用则会出现“假死”状态)
【效果图】
看图得知:
- 我们在执行方法的时候页面出现了“假死”,拖不动了。
- 我们看到打印结果,方法调用前和调用后线程ID都是9(也就是同一个线程)
下面我们再来演示对应的异步方法:(BeginGetResponse、EndGetResponse所谓的APM异步模型)
private void button2_Click(object sender, EventArgs e) { //1、APM 异步编程模型,Asynchronous Programming Model //C#1[基于IAsyncResult接口实现BeginXXX和EndXXX的方法] Debug.WriteLine("【Debug】主线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); var request = WebRequest.Create("https://github.com/"); request.BeginGetResponse(new AsyncCallback(t =>//执行完成后的回调 { var response = request.EndGetResponse(t); var stream = response.GetResponseStream();//获取返回数据流 using (StreamReader reader = new StreamReader(stream)) { StringBuilder sb = new StringBuilder(); while (!reader.EndOfStream) { var content = reader.ReadLine(); sb.Append(content); } Debug.WriteLine("【Debug】" + sb.ToString().Trim().Substring(0, 100) + "...");//只取返回内容的前100个字符 Debug.WriteLine("【Debug】异步线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); label1.Invoke((Action)(() => { label1.Text = "执行完毕!"; }));//这里跨线程访问UI需要做处理 } }), null); Debug.WriteLine("【Debug】主线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); }
【效果图】
看图得知:
- 启用异步方法并没有是UI界面卡死
- 异步方法启动了另外一个ID为12的线程
上面代码执行顺序:
前面我们说过,APM的BebinXXX必须返回IAsyncResult接口。那么接下来我们分析IAsyncResult接口:
首先我们看:
确实返回的是IAsyncResult接口。那IAsyncResult到底长的什么样子?:
并没有想象中的那么复杂嘛。我们是否可以尝试这实现这个接口,然后显示自己的异步方法呢?
首先定一个类MyWebRequest,然后继承IAsyncResult:(下面是基本的伪代码实现)
public class MyWebRequest : IAsyncResult { public object AsyncState { get { throw new NotImplementedException(); } } public WaitHandle AsyncWaitHandle { get { throw new NotImplementedException(); } } public bool CompletedSynchronously { get { throw new NotImplementedException(); } } public bool IsCompleted { get { throw new NotImplementedException(); } } }
这样肯定是不能用的,起码也得有个存回调函数的属性吧,下面我们稍微改造下:
然后我们可以自定义APM异步模型了:(成对的Begin、End)
public IAsyncResult MyBeginXX(AsyncCallback callback) { var asyncResult = new MyWebRequest(callback, null); var request = WebRequest.Create("https://github.com/"); new Thread(() => //重新启用一个线程 { using (StreamReader sr = new StreamReader(request.GetResponse().GetResponseStream())) { var str = sr.ReadToEnd(); asyncResult.SetComplete(str);//设置异步结果 } }).Start(); return asyncResult;//返回一个IAsyncResult } public string MyEndXX(IAsyncResult asyncResult) { MyWebRequest result = asyncResult as MyWebRequest; return result.Result; }
调用如下:
private void button4_Click(object sender, EventArgs e) { Debug.WriteLine("【Debug】主线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); MyBeginXX(new AsyncCallback(t => { var result = MyEndXX(t); Debug.WriteLine("【Debug】" + result.Trim().Substring(0, 100) + "..."); Debug.WriteLine("【Debug】异步线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); })); Debug.WriteLine("【Debug】主线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); }
效果图:
我们看到自己实现的效果基本上和系统提供的差不多。
- 启用异步方法并没有是UI界面卡死
- 异步方法启动了另外一个ID为11的线程
【总结】
个人觉得APM异步模式就是启用另外一个线程执行耗时任务,然后通过回调函数执行后续操作。
APM还可以通过其他方式获取值,如:
while (!asyncResult.IsCompleted)//循环,直到异步执行完成 (轮询方式) { Thread.Sleep(100); } var stream2 = request.EndGetResponse(asyncResult).GetResponseStream();
或
asyncResult.AsyncWaitHandle.WaitOne();//阻止线程,直到异步完成 (阻塞等待) var stream2 = request.EndGetResponse(asyncResult).GetResponseStream();
补充:如果是普通方法,我们也可以通过委托异步:(BeginInvoke、EndInvoke)
public void MyAction() { var func = new Func<string, string>(t => { Thread.Sleep(2000); return "name:" + t + DateTime.Now.ToString(); }); var asyncResult = func.BeginInvoke("张三", t => { string str = func.EndInvoke(t); Debug.WriteLine(str); }, null); }
EAP
EAP 基于事件的异步模式,Event-based Asynchronous Pattern
此模式在C#2的时候随之而来。
先来看个EAP的例子:
private void button3_Click(object sender, EventArgs e) { Debug.WriteLine("【Debug】主线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); BackgroundWorker worker = new BackgroundWorker(); worker.DoWork += new DoWorkEventHandler((s1, s2) => { Thread.Sleep(2000); Debug.WriteLine("【Debug】异步线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); });//注册事件来实现异步 worker.RunWorkerAsync(this); Debug.WriteLine("【Debug】主线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); }
【效果图】(同样不会阻塞UI界面)
【特征】
- 通过事件的方式注册回调函数
- 通过 XXXAsync方法来执行异步调用
例子很简单,但是和APM模式相比,是不是没有那么清晰透明。为什么可以这样实现?事件的注册是在干嘛?为什么执行RunWorkerAsync会触发注册的函数?
感觉自己又想多了...
我们试着反编译看看源码:
只想说,这么玩,有意思吗?
TAP
TAP 基于任务的异步模式,Task-based Asynchronous Pattern
到目前为止,我们觉得上面的APM、EAP异步模式好用吗?好像没有发现什么问题。再仔细想想...如果我们有多个异步方法需要按先后顺序执行,并且需要(在主进程)得到所有返回值。
首先定义三个委托:
public Func<string, string> func1() { return new Func<string, string>(t => { Thread.Sleep(2000); return "name:" + t; }); } public Func<string, string> func2() { return new Func<string, string>(t => { Thread.Sleep(2000); return "age:" + t; }); } public Func<string, string> func3() { return new Func<string, string>(t => { Thread.Sleep(2000); return "sex:" + t; }); }
然后按照一定顺序执行:
public void MyAction() { string str1 = string.Empty, str2 = string.Empty, str3 = string.Empty; IAsyncResult asyncResult1 = null, asyncResult2 = null, asyncResult3 = null; asyncResult1 = func1().BeginInvoke("张三", t => { str1 = func1().EndInvoke(t); Debug.WriteLine("【Debug】异步线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); asyncResult2 = func2().BeginInvoke("26", a => { str2 = func2().EndInvoke(a); Debug.WriteLine("【Debug】异步线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); asyncResult3 = func3().BeginInvoke("男", s => { str3 = func3().EndInvoke(s); Debug.WriteLine("【Debug】异步线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); }, null); }, null); }, null); asyncResult1.AsyncWaitHandle.WaitOne(); asyncResult2.AsyncWaitHandle.WaitOne(); asyncResult3.AsyncWaitHandle.WaitOne(); Debug.WriteLine(str1 + str2 + str3); }
除了难看、难读一点好像也没什么 。不过真的是这样吗?
asyncResult2是null?
由此可见在完成第一个异步操作之前没有对asyncResult2进行赋值,asyncResult2执行异步等待的时候报异常。那么如此我们就无法控制三个异步函数,按照一定顺序执行完成后再拿到返回值。(理论上还是有其他办法的,只是会然代码更加复杂)
是的,现在该我们的TAP登场了。
只需要调用Task类的静态方法Run,即可轻轻松松使用异步。
获取返回值:
var task1 = Task<string>.Run(() => { Thread.Sleep(1500); Console.WriteLine("【Debug】task1 线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); return "张三"; }); //其他逻辑 task1.Wait(); var value = task1.Result;//获取返回值 Console.WriteLine("【Debug】主 线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
现在我们处理上面多个异步按序执行:
Console.WriteLine("【Debug】主 线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); string str1 = string.Empty, str2 = string.Empty, str3 = string.Empty; var task1 = Task.Run(() => { Thread.Sleep(500); str1 = "姓名:张三,"; Console.WriteLine("【Debug】task1 线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); }).ContinueWith(t => { Thread.Sleep(500); str2 = "年龄:25,"; Console.WriteLine("【Debug】task2 线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); }).ContinueWith(t => { Thread.Sleep(500); str3 = "爱好:妹子"; Console.WriteLine("【Debug】task3 线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); }); Thread.Sleep(2500);//其他逻辑代码 task1.Wait(); Debug.WriteLine(str1 + str2 + str3); Console.WriteLine("【Debug】主 线程ID:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
[效果图]
我们看到,结果都得到了,且是异步按序执行的。且代码的逻辑思路非常清晰。如果你感受还不是很大,那么你现象如果是100个异步方法需要异步按序执行呢?用APM的异步回调,那至少也得异步回调嵌套100次。那代码的复杂度可想而知。
延伸思考
-
WaitOne完成等待的原理
-
异步为什么会提升性能
-
线程的使用数量和CPU的使用率有必然的联系吗
问题1:WaitOne完成等待的原理
在此之前,我们先来简单的了解下多线程信号控制AutoResetEvent类。
var _asyncWaitHandle = new AutoResetEvent(false); _asyncWaitHandle.WaitOne();
此代码会在 WaitOne 的地方会一直等待下去。除非有另外一个线程执行 AutoResetEvent 的set方法。
var _asyncWaitHandle = new AutoResetEvent(false); _asyncWaitHandle.Set(); _asyncWaitHandle.WaitOne();
如此,到了 WaitOne 就可以直接执行下去。没有有任何等待。
现在我们对APM 异步编程模型中的 WaitOne 等待是不是知道了点什么呢。我们回头来实现之前自定义异步方法的异步等待。
public class MyWebRequest : IAsyncResult { //异步回调函数(委托) private AsyncCallback _asyncCallback; private AutoResetEvent _asyncWaitHandle; public MyWebRequest(AsyncCallback asyncCallback, object state) { _asyncCallback = asyncCallback; _asyncWaitHandle = new AutoResetEvent(false); } //设置结果 public void SetComplete(string result) { Result = result; IsCompleted = true; _asyncWaitHandle.Set(); if (_asyncCallback != null) { _asyncCallback(this); } } //异步请求返回值 public string Result { get; set; } //获取用户定义的对象,它限定或包含关于异步操作的信息。 public object AsyncState { get { throw new NotImplementedException(); } } // 获取用于等待异步操作完成的 System.Threading.WaitHandle。 public WaitHandle AsyncWaitHandle { //get { throw new NotImplementedException(); } get { return _asyncWaitHandle; } } //获取一个值,该值指示异步操作是否同步完成。 public bool CompletedSynchronously { get { throw new NotImplementedException(); } } //获取一个值,该值指示异步操作是否已完成。 public bool IsCompleted { get; private set; } }
红色代码就是新增的异步等待。
【执行步骤】
问题2:异步为什么会提升性能
比如同步代码:
Thread.Sleep(10000);//假设这是个访问数据库的方法 Thread.Sleep(10000);//假设这是个访问FQ网站的方法
这个代码需要20秒。
如果是异步:
var task = Task.Run(() => { Thread.Sleep(10000);//假设这是个访问数据库的方法 }); Thread.Sleep(10000);//假设这是个访问FQ网站的方法 task.Wait();
如此就只要10秒了。这样就节约了10秒。
如果是:
var task = Task.Run(() => { Thread.Sleep(10000);//假设这是个访问数据库的方法 }); task.Wait();
异步执行中间没有耗时的代码那么这样的异步将是没有意思的。
或者:
var task = Task.Run(() => { Thread.Sleep(10000);//假设这是个访问数据库的方法 }); task.Wait(); Thread.Sleep(10000);//假设这是个访问FQ网站的方法
把耗时任务放在异步等待后,那这样的代码也是不会有性能提升的。
还有一种情况:
如果是单核CPU进行高密集运算操作,那么异步也是没有意义的。(因为运算是非常耗CPU,而网络请求等待不耗CPU)
问题3:线程的使用数量和CPU的使用率有必然的联系吗
答案是否。
还是拿单核做假设。
情况1:
long num = 0; while (true) { num += new Random().Next(-100,100); //Thread.Sleep(100); }
单核下,我们只启动一个线程,就可以让你CPU爆满。
启动八次,八进程CPU基本爆满。
情况2:
一千多个线程,而CPU的使用率竟然是0。由此,我们得到了之前的结论,线程的使用数量和CPU的使用率没有必然的联系。
虽然如此,但是也不能毫无节制的开启线程。因为:
- 开启一个新的线程的过程是比较耗资源的。(可是使用线程池,来降低开启新线程所消耗的资源)
- 多线程的切换也是需要时间的。
- 每个线程占用了一定的内存保存线程上下文信息。
demo:http://pan.baidu.com/s/1slOxgnF
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对于异步编程了解不深,文中极有可能多处错误描述和观点。
感谢广大园友的指正。
本着相互讨论的目的,绝无想要误导大家的意思。
【推荐】
http://www.cnblogs.com/wisdomqq/archive/2012/03/26/2412349.html