async 和 await 出现在C# 5.0之后，给并行编程带来了不少的方便，特别是当在MVC中的Action也变成async之后，有点开始什么都是async的味道了。但是这也给我们编程埋下了一些隐患，有时候可能会产生一些我们自己都不知道怎么产生的Bug，特别是如果连线程基础没有理解的情况下，更不知道如何去处理了。那今天我们就来好好看看这两兄弟和他们的叔叔（Task）爷爷(Thread)们到底有什么区别和特点，本文将会对Thread 到 Task 再到 .NET 4.5的 async和 await，这三种方式下的并行编程作一个概括性的介绍包括：开启线程，线程结果返回，线程中止，线程中的异常处理等。
内容索引
创建
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 | static void Main(){ new Thread(Go).Start(); // .NET 1.0开始就有的 Task.Factory.StartNew(Go); // .NET 4.0 引入了 TPL Task.Run( new Action(Go)); // .NET 4.5 新增了一个Run的方法 } public static void Go(){ Console.WriteLine( "我是另一个线程" ); } |
这里面需要注意的是，创建Thread的实例之后，需要手动调用它的Start方法将其启动。但是对于Task来说，StartNew和Run的同时，既会创建新的线程，并且会立即启动它。
线程池
线程的创建是比较占用资源的一件事情，.NET 为我们提供了线程池来帮助我们创建和管理线程。Task是默认会直接使用线程池，但是Thread不会。如果我们不使用Task，又想用线程池的话，可以使用ThreadPool类。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | static void Main() { Console.WriteLine( "我是主线程：Thread Id {0}" , Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); ThreadPool.QueueUserWorkItem(Go); Console.ReadLine(); } public static void Go( object data) { Console.WriteLine( "我是另一个线程:Thread Id {0}" ,Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); } |
传入参数
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 | static void Main() { new Thread(Go).Start( "arg1" ); // 没有匿名委托之前，我们只能这样传入一个object的参数 new Thread( delegate (){ // 有了匿名委托之后... GoGoGo( "arg1" , "arg2" , "arg3" ); }); new Thread(() => { // 当然,还有 Lambada GoGoGo( "arg1" , "arg2" , "arg3" ); }).Start(); Task.Run(() =>{ // Task能这么灵活，也是因为有了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，但是作为更高级的Task当然要弥补一下这个功能。
| 1 2 3 4 5 | static void Main() { // GetDayOfThisWeek 运行在另外一个线程中 var dayName = Task.Run< string >(() => { return GetDayOfThisWeek(); }); Console.WriteLine( "今天是：{0}" ,dayName.Result); } |
共享数据
上面说了参数和返回值，我们来看一下线程之间共享数据的问题。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | private static bool _isDone = false ; static void Main(){ new Thread(Done).Start(); new Thread(Done).Start(); } static void Done(){ if (!_isDone) { _isDone = true ; // 第二个线程来的时候，就不会再执行了(也不是绝对的，取决于计算机的CPU数量以及当时的运行情况) Console.WriteLine( "Done" ); } } |
线程之间可以通过static变量来共享数据。
线程安全
我们先把上面的代码小小的调整一下，就知道什么是线程安全了。我们把Done方法中的两句话对换了一下位置 。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | 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" ); // 猜猜这里面会被执行几次？ _isDone = true ; } } |
上面这种情况不会一直发生，但是如果你运气好的话，就会中奖了。因为第一个线程还没有来得及把_isDone设置成true，第二个线程就进来了，而这不是我们想要的结果，在多个线程下，结果不是我们的预期结果，这就是线程不安全。
锁
要解决上面遇到的问题，我们就要用到锁。锁的类型有独占锁，互斥锁，以及读写锁等，我们这里就简单演示一下独占锁。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | 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" ); // 猜猜这里面会被执行几次？ _isDone = true ; } } } |
再我们加上锁之后，被锁住的代码在同一个时间内只允许一个线程访问，其它的线程会被阻塞，只有等到这个锁被释放之后其它的线程才能执行被锁住的代码。
Semaphore 信号量
我实在不知道这个单词应该怎么翻译，从官方的解释来看，我们可以这样理解。它可以控制对某一段代码或者对某个资源访问的线程的数量，超过这个数量之后，其它的线程就得等待，只有等现在有线程释放了之后，下面的线程才能访问。这个跟锁有相似的功能，只不过不是独占的，它允许一定数量的线程同时访问。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | static SemaphoreSlim _sem = new SemaphoreSlim(3); // 我们限制能同时访问的线程数量是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 + " 开始排队..." ); _sem.Wait(); Console.WriteLine(id + " 开始执行！" ); Thread.Sleep(1000 * ( int )id); Console.WriteLine(id + " 执行完毕，离开！" ); _sem.Release(); } |
在最开始的时候，前3个排队之后就立即进入执行，但是4和5，只有等到有线程退出之后才可以执行。
异常处理
其它线程的异常，主线程可以捕获到么？
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | public static void Main(){ try { new Thread(Go).Start(); } catch (Exception ex){ // 其它线程里面的异常，我们这里面是捕获不到的。 Console.WriteLine( "Exception!" ); } } static void Go() { throw null ; } |
那么升级了的Task呢？
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | public static void Main(){ try { var task = Task.Run(() => { Go(); }); task.Wait(); // 在调用了这句话之后，主线程才能捕获task里面的异常 // 对于有返回值的Task, 我们接收了它的返回值就不需要再调用Wait方法了 // GetName 里面的异常我们也可以捕获到 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 ; } |
一个小例子认识async & await
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 | static void Main( string [] args){ Test(); // 这个方法其实是多余的, 本来可以直接写下面的方法 // await GetName() // 但是由于控制台的入口方法不支持async,所有我们在入口方法里面不能 用 await Console.WriteLine( "Current Thread Id :{0}" , Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); } static async Task Test(){ // 方法打上async关键字，就可以用await调用同样打上async的方法 // await 后面的方法将在另外一个线程中执行 await GetName(); } static async Task GetName(){ // Delay 方法来自于.net 4.5 await Task.Delay(1000); // 返回值前面加 async 之后，方法里面就可以用await了 Console.WriteLine( "Current Thread Id :{0}" , Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); Console.WriteLine( "In antoher thread....." ); } |
await 的原形
await后的的执行顺序
感谢 locus的指正， await 之后不会开启新的线程(await 从来不会开启新的线程)，所以上面的图是有一点问题的。
await 不会开启新的线程，当前线程会一直往下走直到遇到真正的Async方法（比如说HttpClient.GetStringAsync），这个方法的内部会用Task.Run或者Task.Factory.StartNew 去开启线程。也就是如果方法不是.NET为我们提供的Async方法，我们需要自己创建Task，才会真正的去创建线程。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 | 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(); //我们这里没有用 await,所以下面的代码可以继续执行 // 但是如果上面是 await GetName()，下面的代码就不会立即执行，输出结果就不一样了。 Console.WriteLine( "End calling GetName.\r\n" ); Console.WriteLine( "Get result from GetName: {0}" , await name); } static async Task< string > GetName() { // 这里还是主线程 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" ; }); } |
我们再来看一下那张图：
- 进入主线程开始执行
- 调用async方法，返回一个Task，注意这个时候另外一个线程已经开始运行，也就是GetName里面的 Task 已经开始工作了
- 主线程继续往下走
- 第3步和第4步是同时进行的，主线程并没有挂起等待
- 如果另一个线程已经执行完毕，name.IsCompleted=true，主线程仍然不用挂起，直接拿结果就可以了。如果另一个线程还同有执行完毕, name.IsCompleted=false，那么主线程会挂起等待，直到返回结果为止。
只有async方法在调用前才能加await么？
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | 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 秒之后才会执行这里 Console.WriteLine(str); } |
答案很明显：await并不是针对于async的方法，而是针对async方法所返回给我们的Task，这也是为什么所有的async方法都必须返回给我们Task。所以我们同样可以在Task前面也加上await关键字，这样做实际上是告诉编译器我需要等这个Task的返回值或者等这个Task执行完毕之后才能继续往下走。
不用await关键字，如何确认Task执行完毕了？
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 | static void Main(){ var task = Task.Run(() =>{ return GetName(); }); task.GetAwaiter().OnCompleted(() =>{ // 2 秒之后才会执行这里 var name = task.Result; Console.WriteLine( "My name is: " + name); }); Console.WriteLine( "主线程执行完毕" ); Console.ReadLine(); } static string GetName(){ Console.WriteLine( "另外一个线程在获取名称" ); Thread.Sleep(2000); return "Jesse" ; } |
Task.GetAwaiter()和await Task 的区别？
- 加上await关键字之后，后面的代码会被挂起等待，直到task执行完毕有返回值的时候才会继续向下执行，这一段时间主线程会处于挂起状态。
- GetAwaiter方法会返回一个awaitable的对象（继承了INotifyCompletion.OnCompleted方法）我们只是传递了一个委托进去，等task完成了就会执行这个委托，但是并不会影响主线程，下面的代码会立即执行。这也是为什么我们结果里面第一句话会是 “主线程执行完毕”！
Task如何让主线程挂起等待？
上面的右边是属于没有挂起主线程的情况，和我们的await仍然有一点差别，那么在获取Task的结果前如何挂起主线程呢？
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | static void Main(){ var task = Task.Run(() =>{ return GetName(); }); var name = task.GetAwaiter().GetResult(); Console.WriteLine( "My name is:{0}" ,name); Console.WriteLine( "主线程执行完毕" ); Console.ReadLine(); } static string GetName(){ Console.WriteLine( "另外一个线程在获取名称" ); Thread.Sleep(2000); return "Jesse" ; } |
Task.GetAwait()方法会给我们返回一个awaitable的对象，通过调用这个对象的GetResult方法就会挂起主线程，当然也不是所有的情况都会挂起。还记得我们Task的特性么？ 在一开始的时候就启动了另一个线程去执行这个Task，当我们调用它的结果的时候如果这个Task已经执行完毕，主线程是不用等待可以直接拿其结果的，如果没有执行完毕那主线程就得挂起等待了。
await 实质是在调用awaitable对象的GetResult方法
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | static async Task Test(){ Task< string > task = Task.Run(() =>{ Console.WriteLine( "另一个线程在运行！" ); // 这句话只会被执行一次 Thread.Sleep(2000); return "Hello World" ; }); // 这里主线程会挂起等待，直到task执行完毕我们拿到返回结果 var result = task.GetAwaiter().GetResult(); // 这里不会挂起等待，因为task已经执行完了，我们可以直接拿到结果 var result2 = await task; Console.WriteLine(str); } |
到此为止，await就真相大白了，欢迎点评。Enjoy Coding! :)
