C#多线程(13):任务基础①

内容纲要

多线程编程

多线程编程模式

.NET 中,有三种异步编程模式,分别是基于任务的异步模式(TAP)、基于事件的异步模式(EAP)、异步编程模式(APM)。

  • 基于任务的异步模式 (TAP) :.NET 推荐使用的异步编程方法,该模式使用单一方法表示异步操作的开始和完成。包括我们常用的 async 、await 关键字,属于该模式的支持。
  • 基于事件的异步模式 (EAP) :是提供异步行为的基于事件的旧模型。《C#多线程(12):线程池》中提到过此模式,.NET Core 已经不支持。
  • 异步编程模型 (APM) 模式:也称为 IAsyncResult 模式,,这是使用 IAsyncResult 接口提供异步行为的旧模型。.NET Core 也不支持,请参考 《C#多线程(12):线程池》

前面,我们学习了三部分的内容:

  • 线程基础:如何创建线程、获取线程信息以及等待线程完成任务;
  • 线程同步:探究各种方式实现进程和线程同步,以及线程等待;
  • 线程池:线程池的优点和使用方法,基于任务的操作;

这篇开始探究任务和异步,而任务和异步是十分复杂的,内容错综复杂,笔者可能讲不好。。。

探究优点

在前面中,学习多线程(线程基础和线程同步),一共写了 10 篇,写了这么多代码,我们现在来探究一下多线程编程的复杂性。

  1. 传递数据和返回结果

传递数据倒是没啥问题,只是难以获取到线程的返回值,处理线程的异常也需要技巧。

  1. 监控线程的状态

新建新的线程后,如果需要确定新线程在何时完成,需要自旋或阻塞等方式等待。

  1. 线程安全

设计时要考虑如果避免死锁、合理使用各种同步锁,要考虑原子操作,同步信号的处理需要技巧。

  1. 性能

玩多线程,最大需求就是提升性能,但是多线程中有很多坑,使用不当反而影响性能。

[以上总结可参考《C# 7.0本质论》19.3节,《C# 7.0核心技术指南》14.3 节]

我们通过使用线程池,可以解决上面的部分问题,但是还有更加好的选择,就是 Task(任务)。另外 Task 也是异步编程的基础类型,后面很多内容要围绕 Task 展开。

原理的东西,还是多参考微软官方文档和书籍,笔者讲得不一定准确,而且不会深入说明这些。

任务操作

任务(Task)实在太多 API 了,也有各种骚操作,要讲清楚实在不容易,我们要慢慢来,一点点进步,一点点深入,多写代码测试。

下面与笔者一起,一步步熟悉、摸索 Task 的 API。

两种创建任务的方式

通过其构造函数创建一个任务,其构造函数定义为:

public Task (Action action);

其示例如下:

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            // 定义两个任务
            Task task1 = new Task(()=> 
            {
                Console.WriteLine("① 开始执行");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 执行中");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 执行即将结束");
            });

            Task task2 = new Task(MyTask);
            // 开始任务
            task1.Start();
            task2.Start();

            Console.ReadKey();
        }

        private static void MyTask()
        {
            Console.WriteLine("② 开始执行");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("② 执行中");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("② 执行即将结束");
        }
    }

.Start() 方法用于启动一个任务。微软文档解释:启动 Task,并将它安排到当前的 TaskScheduler 中执行。

TaskScheduler 这个东西,我们后面讲,别急。

另一种方式则使用 Task.Factory,此属性用于创建和配置 TaskTask<TResult> 实例的工厂方法。

使用https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.tasks.taskfactory.startnew?view=netcore-3.1#–可以添加任务。

Task.Factory.StartNew() 的重载方法是真的多,你可以参考: https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.tasks.taskfactory.startnew?view=netcore-3.1#–

这里我们使用两个重载方法编写示例:

public Task StartNew(Action action);
public Task StartNew(Action action, TaskCreationOptions creationOptions);

代码示例如下:

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            // 重载方法 1
            Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("① 开始执行");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 执行中");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 执行即将结束");
            });

            // 重载方法 1
            Task.Factory.StartNew(MyTask);

            // 重载方法 2
            Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("① 开始执行");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 执行中");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 执行即将结束");
            },TaskCreationOptions.LongRunning);

            Console.ReadKey();
        }

        // public delegate void TimerCallback(object? state);
        private static void MyTask()
        {
            Console.WriteLine("② 开始执行");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("② 执行中");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            Console.WriteLine("② 执行即将结束");
        }
    }

通过 Task.Factory.StartNew() 方法添加的任务,会进入线程池任务队列然后自动执行,不需要手动启动。

TaskCreationOptions.LongRunning 是控制任务创建特性的枚举,后面讲。

Task.Run() 创建任务

Task.Run() 创建任务,跟 Task.Factory.StartNew() 差不多,当然 Task.Run() 还有很多重载方法和骚操作,我们后面再来学。

Task.Run() 创建任务示例代码如下:

        static void Main()
        {
            Task.Run(() =>
            {
                Console.WriteLine("① 开始执行");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 执行中");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("① 执行即将结束");
            });
            Console.ReadKey();
        }

取消任务

取消任务,《C#多线程(12):线程池》 中说过一次,不过控制太自由,全靠任务本身自觉判断是否取消。

这里我们通过 Task 来实现任务的取消,其取消是实时的、自动的,并且不需要手工控制。

其构造函数如下:

public Task StartNew(Action action, CancellationToken cancellationToken);

代码示例如下:

按下回车键的时候记得切换字母模式。

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            Console.WriteLine("任务开始启动,按下任意键,取消执行任务");
            CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
            Task.Factory.StartNew(MyTask, cts.Token);

            Console.ReadKey();

            cts.Cancel();       // 取消任务
            Console.ReadKey();
        }

        // public delegate void TimerCallback(object? state);
        private static void MyTask()
        {
            Console.WriteLine(" 开始执行");
            int i = 0;
            while (true)
            {
                Console.WriteLine($" 第{i}次任务");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("     执行中");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

                Console.WriteLine("     执行结束");
                i++;
            }
        }
    }

父子任务

前面创建任务的时候,我们碰到了 TaskCreationOptions.LongRunning 这个枚举类型,这个枚举用于控制任务的创建以及设定任务的行为。

其枚举如下:

枚举 说明
AttachedToParent 4 指定将任务附加到任务层次结构中的某个父级。
DenyChildAttach 8 指定任何尝试作为附加的子任务执行的子任务都无法附加到父任务,会改成作为分离的子任务执行。
HideScheduler 16 防止环境计划程序被视为已创建任务的当前计划程序。
LongRunning 2 指定任务将是长时间运行的、粗粒度的操作,涉及比细化的系统更少、更大的组件。
None 0 指定应使用默认行为。
PreferFairness 1 提示 TaskScheduler 以一种尽可能公平的方式安排任务。
RunContinuationsAsynchronously 64 强制异步执行添加到当前任务的延续任务。

这个枚举在 TaskFactoryTaskFactory<TResult>TaskTask<TResult>

StartNew()FromAsync()TaskCompletionSource<TResult> 等地方可以使用到。

这里来探究 TaskCreationOptions.AttachedToParent的使用。代码示例如下:

            // 父子任务
            Task task = new Task(() =>
            {
                // TaskCreationOptions.AttachedToParent
                // 将此任务附加到父任务中
                // 父任务需要等待所有子任务完成后,才能算完成
                Task task1 = new Task(() =>
                {
                    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
                    for (int i = 0; i < 5; i++)
                    {
                        Console.WriteLine("     内层任务1");
                        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.5));
                    }
                }, TaskCreationOptions.AttachedToParent);
                task1.Start();

                Console.WriteLine("最外层任务");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            });

            task.Start();
            task.Wait();

            Console.ReadKey();

TaskCreationOptions.DenyChildAttach 则不允许其它任务附加到外层任务中。

        static void Main()
        {
            // 不允许出现父子任务
            Task task = new Task(() =>
            {
                Task task1 = new Task(() =>
                {
                    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
                    for (int i = 0; i < 5; i++)
                    {
                        Console.WriteLine("  内层任务1");
                        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.5));
                    }
                }, TaskCreationOptions.AttachedToParent);
                task1.Start();

                Console.WriteLine("最外层任务");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            }, TaskCreationOptions.DenyChildAttach); // 不收儿子

            task.Start();
            task.Wait();

            Console.ReadKey();
        }

然后,这里也学习了一个新的 Task 方法:Wait() 等待 Task 完成执行过程。Wait() 也可以设置超时时间。

如果父任务是通过调用 Task.Run 方法而创建的,则可以隐式阻止子任务附加到其中。

关于附加的子任务,请参考:https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/parallel-programming/attached-and-detached-child-tasks?view=netcore-3.1

任务返回结果以及异步获取返回结果

要获取任务返回结果,要使用泛型类或方法创建任务,例如 Task<Tresult>Task.Factory.StartNew<TResult>()Task.Run<TResult>

通过 其泛型的 的 Result 属性,可以获得返回结果。

异步获取任务执行结果:

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            // *******************************
            Task task = new Task(() =>
            {
                return 666;
            });
            // 执行
            task.Start();
            // 获取结果,属于异步
            int number = task.Result;

            // *******************************
            task = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                return 666;
            });

            // 也可以异步获取结果
            number = task.Result;

            // *******************************
            task = Task.Run(() =>
              {
                  return 666;
              });

            // 也可以异步获取结果
            number = task.Result;
            Console.ReadKey();
        }
    }

如果要同步的话,可以改成:

            int number = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                return 666;
            }).Result;

捕获任务异常

进行中的任务发生了异常,不会直接抛出来阻止主线程执行,当获取任务处理结果或者等待任务完成时,异常会重新抛出。

示例如下:

        static void Main()
        {
            // *******************************
            Task task = new Task(() =>
            {
                throw new Exception("反正就想弹出一个异常");
            });
            // 执行
            task.Start();
            Console.WriteLine("任务中的异常不会直接传播到主线程");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            // 当任务发生异常,获取结果时会弹出
            int number = task.Result;

            // task.Wait(); 等待任务时,如果发生异常,也会弹出

            Console.ReadKey();
        }

乱抛出异常不是很好的行为噢~可以改成如下:

        static void Main()
        {
            Task task = new Task(() =>
            {
                try
                {
                    throw new Exception("反正就想弹出一个异常");
                    return new Program();
                }
                catch
                {
                    return null;
                }
            });
            task.Start();

            var result = task.Result;
            if (result is null)
                Console.WriteLine("任务执行失败");
            else Console.WriteLine("任务执行成功");

            Console.ReadKey();
        }

全局捕获任务异常

TaskScheduler.UnobservedTaskException 是一个事件,其委托定义如下:

public delegate void EventHandler(object? sender, TEventArgs e);

下面是一个示例:

请发布程序后,打开目录执行程序。

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            TaskScheduler.UnobservedTaskException += MyTaskException;

            Task.Factory.StartNew(() =>
             {
                 throw new ArgumentNullException();
             });
            Thread.Sleep(100);
            GC.Collect();
            GC.WaitForPendingFinalizers();

            Console.WriteLine("Done");
            Console.ReadKey();
        }
        public static void MyTaskException(object sender, UnobservedTaskExceptionEventArgs eventArgs)
        {
            // eventArgs.SetObserved();
            ((AggregateException)eventArgs.Exception).Handle(ex =>
            {
                Console.WriteLine("Exception type: {0}", ex.GetType());
                return true;
            });
        }
    }

TaskScheduler.UnobservedTaskException 到底怎么用,笔者不太清楚。而且效果难以观察。

请参考:

https://stackoverflow.com/search?q=TaskScheduler.UnobservedTaskException

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