.NET异步编程知多少

1. 引言

最近在学习Abp框架，发现Abp框架的很多Api都提供了同步异步两种写法。异步编程说起来，大家可能都会说异步编程性能好。但好在哪里，引入了什么问题，以及如何使用，想必也未必能答的上来。
自己对异步编程也不是很了解，今天就以学习的目的，来梳理下同步异步编程的基础知识，然后再来介绍下如何使用async/await进行异步编程。下图是一张大纲，具体可查看脑图分享链接。
.NET 异步编程 - 图1
脑图摘要

2. 同步异步编程

同步编程是对于单线程来说的，就像我们编写的控制台程序，以main方法为入口，顺序执行我们编写的代码。
异步编程是对于多线程来说的，通过创建不同线程来实现多个任务的并行执行。

3. 线程

.Net 1.0就发布了System.Threading，其中提供了许多类型（比如Thread、ThreadStart等）可以显示的创建线程。
说到Thread，我们需要了解以下几个概念：

3.1. 什么是主线程

每一个Windows进程都恰好包含一个用作程序入口点的主线程。进程的入口点创建的第一个线程被称为主线程。.Net执行程序（控制台、Windows Form、Wpf等）使用Main()方法作为程序入口点。当调用该方法时，主线程被创建。

3.2. 什么是工作者线程

由主线程创建的线程，可以称为工作者线程，用来去执行某项具体的任务。
.NET 异步编程 - 图2

3.3. 什么是前台线程

默认情况下，使用Thread.Start()方法创建的线程都是前台线程。前台线程能阻止应用程序的终结，只有所有的前台线程执行完毕，CLR才能关闭应用程序（即卸载承载的应用程序域）。前台线程也属于工作者线程。

3.4. 什么是后台线程

后台线程不会影响应用程序的终结，当所有前台线程执行完毕后，后台线程无论是否执行完毕，都会被终结。一般后台线程用来做些无关紧要的任务（比如邮箱每隔一段时间就去检查下邮件，天气应用每隔一段时间去更新天气）。后台线程也属于工作者线程。
说了这么多概念不如来段代码：

//主线程入口
 static void Main(string[] args)
 {
     Console.WriteLine("主线程开始！");
     //创建前台工作线程
     Thread t1 = new Thread(Task1);
     t1.Start();
     //创建后台工作线程
     Thread t2= new Thread(new ParameterizedThreadStart(Task2));
     t2.IsBackground = true;//设置为后台线程
     t2.Start("传参");
 }
 private static void Task1()
 {
     Thread.Sleep(1000);//模拟耗时操作，睡眠1s
     Console.WriteLine("前台线程被调用！");
 }
 private static void Task2(object data)
 {
     Thread.Sleep(2000);//模拟耗时操作，睡眠2s
     Console.WriteLine("后台线程被调用！" + data);
 }

.NET 异步编程 - 图3
执行发现，【后台线程被调用】将不会显示。因为当所有的前台线程执行完毕后，应用程序就关闭了，不会等待所有的后台线程执行完毕，所以不会显示。

4. ThreadPool（线程池）

线程池是为突然大量爆发的线程设计的，通过有限的几个固定线程为大量的操作服务，减少了创建和销毁线程所需的时间，从而提高效率，这也是线程池的主要好处。
ThreadPool适用于并发运行若干个任务且运行时间不长且互不干扰的场景。
还有一点需要注意，通过线程池创建的任务是后台任务。
举个例子：

//主线程入口
static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主线程开始！");
    //创建要执行的任务
    WaitCallback workItem = state => Console.WriteLine("当前线程Id为：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    //重复调用10次
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(workItem);
    }
    Console.ReadLine();
}

.NET 异步编程 - 图4
执行结果

从图中可以看出，程序并没有每次执行任务都创建新的线程，而是循环利用线程池中维护的线程。
如果去掉最后一句Consoler.ReadLine()，会发现程序仅输出【主线程开始！】就直接退出，从而确定ThreadPool创建的线程都是后台线程。

5. System.Threading.Tasks

.Net 4.0引入了System.Threading.Tasks，简化了我们进行异步编程的方式，而不用直接与线程和线程池打交道。
System.Threading.Tasks中的类型被称为任务并行库（TPL）。TPL使用CLR线程池（说明使用TPL创建的线程都是后台线程）自动将应用程序的工作动态分配到可用的CPU中。

5.1. Parallel（数据并行）

数据并行是指使用Parallel.For()或Parallel.ForEach()方法以并行方式对数组或集合中的数据进行迭代。
看怎么用：

ParallelLoopResult result = Parallel.For(0, 10000, i => {
    Console.WriteLine("{0}, task: {1} , thread: {2}", i, Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
});

5.2. PLINQ（并行LINQ查询）

为并行运行而设计的LINQ查询为PLINQ。System.Linq命名空间的ParallelEnumerable中包含了一些扩展方法来支持PINQ查询。
使用举例：

int[] modThreeIsZero = (from num in source.AsParallel()
                        where num % 3 == 0
                        orderby num descending
                        select num).ToArray();

5.3. Task

Task，字面义，任务。使用Task类可以轻松地在次线程中调用方法。

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    Task.Factory.StartNew(() => Console.WriteLine("Task对应线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId));
    Console.ReadLine();
}

.NET 异步编程 - 图5

可以看见，使用Task我们不必理会具体线程的创建。
我们也可以使用.NET 4.5引入的Task.Run静态方法来启动一个线程。

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    Task.Run(() => Console.WriteLine("Task对应线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId));
    Console.ReadLine();
}

Task类提供了Wait()方法，用来等待线程task执行完毕。

5.4. Task

Task是Task的泛型版本，可以接收一个返回值。

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    Task<string> task = Task.Run(() =>
    {
        return Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString();
    });
    Console.WriteLine("创建Task对应的线程ID：" + task.Result);
    Console.ReadLine();
}

.NET 异步编程 - 图6
Task提供了很多方法，帮助我们进行异步任务。了解更多，可参考MSDN。

5.5. async/await 特性

C# async关键字用来指定某个方法、Lambda表达式或匿名方法自动以异步的方式来调用。
咱们先来看一个具体的示例吧。

private static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主线程启动，当前线程为：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    var task = GetLengthAsync();
    Console.WriteLine("回到主线程，当前线程为：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    Console.WriteLine("线程[" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + "]睡眠5s:");
    Thread.Sleep(5000); //将主线程睡眠5s
    var timer = new Stopwatch();
    timer.Start(); //开始计算时间
    Console.WriteLine("task的返回值是" + task.Result);
    timer.Stop(); //结束点，另外stopwatch还有Reset方法，可以重置。
    Console.WriteLine("等待了：" + timer.Elapsed.TotalSeconds + "秒"); //显示时间
    Console.WriteLine("主线程结束，当前线程为：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}
private static async Task<int> GetLengthAsync()
{
    Console.WriteLine("GetLengthAsync()开始执行，当前线程为：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    var str = await GetStringAsync();
    Console.WriteLine("GetLengthAsync()执行完毕，当前线程为：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    return str.Length;
}
private static Task<string> GetStringAsync()
{
    Console.WriteLine("GetStringAsync()开始执行，当前线程为：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    return Task.Run(() =>
    {
        Console.WriteLine("异步任务开始执行，当前线程为：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
        Console.WriteLine("线程[" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + "]睡眠10s:");
        Thread.Sleep(10000); //将异步任务线程睡眠10s
        Console.WriteLine("GetStringAsync()执行完毕，当前线程为：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
        return "GetStringAsync()执行完毕";
    });
}

.NET 异步编程 - 图7
执行结果
是不是对执行结果感到惊讶？惊讶是对的，且听我们下面娓娓道来。

被async标记的方法，意味着可以在方法内部使用await，这样该方法将会在一个await point（等待点）处被挂起，并且在等待的实例完成后该方法被异步唤醒。【注意：await point（等待点）处被挂起，并不是说在代码中使用await SomeMethodAsync()处就挂起，而是在进入SomeMethodAsync()真正执行异步任务时被挂起，切记，切记！！！】
async标记的方法，返回值类型为void、Task、Task<T>。
被async标记的方法，方法的执行结果或者任何异常都将直接反映在返回类型中。
不是被async标记的方法，就会被异步执行，刚开始都是同步开始执行。换句话说，方法被async标记不会影响方法是同步还是异步的方式完成运行。事实上，async使得方法能被分解成几个部分，一部分同步运行，一些部分可以异步的运行（而这些部分正是使用await显示编码的部分），从而使得该方法可以异步的完成。
await关键字告诉编译器在async标记的方法中插入一个可能的挂起/唤醒点。逻辑上，这意味着当你写await someMethod();时，编译器将生成代码来检查someMethod()代表的操作是否已经完成。如果已经完成，则从await标记的唤醒点处继续开始同步执行；如果没有完成，将为等待的someMethod()生成一个continue委托，当someMethod()代表的操作完成的时候调用continue委托。这个continue委托将控制权重新返回到async方法对应的await唤醒点处。
返回到await唤醒点处后，不管等待的someMethod()是否已经经完成，任何结果都可从Task中提取，或者如果someMethod()操作失败，发生的任何异常随Task一起返回或返回给SynchronizationContext。

从第4点可以解释为什么上面的demo当调用GetLengthAsync();方法时，输出GetLengthAsync()开始执行，当前线程为：1。
从第1点可以解释调用await GetStringAsync();后，为什么程序会继续同步执行输出GetStringAsync()开始执行，当前线程为：1。
当执行到Task.Run的时候，就回到了主线程，从而输出回到主线程，当前线程为：1，这说明Task.Run就是我们所说的await point（等待点）。紧接着代码将主线程睡眠5s，这时异步任务可不会歇啊，所以会输出异步任务开始执行，当前线程为：3。
紧接着为了模拟异步任务耗时，我们在异步任务中调用Thread.Sleep(10000)将异步任务睡眠10s。
同样异步任务睡眠的时候，不会影响到我们的同步任务，主线程睡眠5s后，要去输出task.Result，这时异步任务还没有执行完毕，所以主线程会等待，直到结果返回，当异步任务完成后会输出GetStringAsync()执行完毕，当前线程为：3。
从第5点可以解释，await等待异步任务完成后，GetLengthAsync()方法被异步唤醒，从而异步执行后续代码而输出GetLengthAsync()执行完毕，当前线程为：3。
代码中我们用StopWatch来计算大致等待了多久，从结果看等待了5.0004334秒，符合预期（异步线程睡眠了10s，主线程睡眠了5s，两个线程是并行运行的，所以大致耗时应该为10s - 5s = 5s）。
那为什么执行到task.Result时，主线程会等待呢，你可能会说异步任务没有完成。
那异步任务没有完成不应该影响主线程的继续执行啊，那主线程究竟是被谁挂起进行等待的呢？
首先Task和Task是awaitable的，这里就要理解下awaitable这个概念，详参await anything，这里就不再赘述（讲清楚估计得另开一篇）。
这里就暂且把awaitable理解为可等待的，就是说如果这个task没执行完毕，在去取结果的时候它就会等待。
我们直接来看一下看下源码吧： .NET 异步编程 - 图8
.NET 异步编程 - 图9
从代码中我们可以清楚看见，在去取task的返回值时，程序回去判断对应的任务是否执行完毕（IsCompleted），若没有则继续等待，也就是在InternalWait方法中执行等待，而InternalWait方法中指定等待的方式为TaskWaitBehavior.Synchronous也就是同步等待，所以就会挂起主线程。
其实task.Wait()也是类似的逻辑，会同步阻塞主线程去等待异步线程执行完毕。
那我们就可以这样理解task.Result，task.Result相当于执行task.Wait();后再去取值task.Result;。

6. 总结

本文主要梳理了以下几点：

默认创建的Thread是前台线程，创建的Task为后台线程。
ThreadPool创建的线程都是后台线程。
任务并行库（TPL）使用的是线程池技术。
调用async标记的方法，刚开始是同步执行的，只有当执行到await标记的方法中的异步任务时，才会挂起。

异步编程的水很深，标题起大了，有很多知识点没有讲全讲到。
文章中所写是个人理解，难免有纰漏之处，请大家以怀疑的精神阅读此文，也恳请大家多多指教！！！

参考自： Async/Await FAQ await anything Async/Await异步编程中的最佳做法