C# 异步编程详解（Task，async/await）

1.什么是异步

  同步和异步主要用于修饰方法。当一个方法被调用时，调用者需要等待该方法执行完毕并返回才能继续执行，我们称这个方法是同步方法；当一个方法被调用时立即返回，并获取一个线程执行该方法内部的业务，调用者不用等待该方法执行完毕，我们称这个方法为异步方法。
　　异步的好处在于非阻塞(调用线程不会暂停执行去等待子线程完成)，因此我们把一些不需要立即使用结果、较耗时的任务设为异步执行，可以提高程序的运行效率。net4.0在ThreadPool的基础上推出了Task类，微软极力推荐使用Task来执行异步任务，现在C#类库中的异步方法基本都用到了Task；net5.0推出了async/await，让异步编程更为方便。

2.Task 产生背景

  Task出现之前，微软的多线程处理方式有：Thread→ThreadPool→委托的异步调用，虽然也可以基本业务需要的多线程场景，但它们在多个线程的等待处理方面、资源占用方面、线程延续和阻塞方面、线程的取消方面等都显得比较笨拙，在面对复杂的业务场景下，显得有点捉襟见肘了。
  ThreadPool相比Thread来说具备了很多优势，但是ThreadPool却又存在一些使用上的不方便。比如：

• ThreadPool不支持线程的取消、完成、失败通知等交互性操作；
• ThreadPool不支持线程执行的先后次序；

正是在这种背景下，Task应运而生。Task是微软在.Net 4.0时代推出来的，也是微软极力推荐的一种多线程的处理方式，Task看起来像一个Thread，实际上，它是在ThreadPool的基础上进行的封装，Task的控制和扩展性很强，在线程的延续、阻塞、取消、超时等方面远胜于Thread和ThreadPool。以下是一个简单的任务示例：

static void Main(string[] args)
{
    Task t = new Task(() =>
    {
        Console.WriteLine("任务开始工作……");
        Thread.Sleep(5000);  //模拟工作过程
    });
    t.Start();
    t.ContinueWith(task =>
    {
        Console.WriteLine("任务完成，完成时候的状态为：");
        Console.WriteLine("IsCanceled={0}\tIsCompleted={1}\tIsFaulted={2}", 
                          task.IsCanceled, task.IsCompleted, task.IsFaulted);
    });
    Console.ReadKey();
}

3.Thread(线程) 和 Task(异步)的区别

3.1 几个名词

• 1、进程（process）： 当一个程序开始运行时，它就是一个进程，进程包括运行中的程序和程序所使用到的内存和系统资源。而一个进程又是由多个线程所组成的。
• 2、线程（thread）： 线程是程序中的一个执行流，每个线程都有自己的专有寄存器(栈指针、程序计数器等)，但代码区是共享的。多线程是指程序中包含多个执行流，即在一个程序中可以同时运行多个不同的线程来执行不同的任务，也就是说允许单个程序创建多个并行执行的线程来完成各自的任务。
  • 前台线程： 前台线程是不会被立即关闭的，它的关闭只会发生在自己执行完成时，不受外在因素的影响。假如应用程序退出，造成它的前台线程终止，此时CLR仍然保持活动并运行，使应用程序能继续运行，当它的的前台线程都终止后，整个进程才会被销毁。(Thread类默认创建的是前台线程)
  • 后台线程： 后台线程是可以随时被CLR关闭而不引发异常的，也就是说当后台线程被关闭时，资源的回收是立即的，不等待的，也不考虑后台线程是否执行完成，就算是正在执行中也立即被终止。(通过线程池/Task创建的线程都是后台线程)
• 3、同步（sync）: 发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。
• 4、异步（async）: 与同步相对，调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。当这个调用完成后，一般通过状态、通知和回调来通知调用者。对于异步调用，调用的返回并不受调用者控制。
  通知调用者的三种方式：
  • 状态：即监听被调用者的状态（轮询），调用者需要每隔一定时间检查一次，效率会很低。
  • 通知：当被调用者执行完成后，发出通知告知调用者，无需消耗太多性能。
  • 回调：与通知类似，当被调用者执行完成后，会调用调用者提供的回调函数。
• 5、阻塞（block）： 阻塞调用是指调用结果返回（或者收到通知）之前，当前线程会被挂起，即不继续执行后续操作。简单来说，等前一件做完了才能做下一件事。
• 6、非阻塞（non-block）： 非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

3.2 Thread 与 Task 的区别

Thread 类主要用于实现线程的创建以及执行。
Task 类表示以异步方式执行的单个操作。

1、Task 是基于 Thread 的，是比较高层级的封装，Task 最终还是需要 Thread 来执行
2、Task 默认使用后台线程执行，Thread 默认使用前台线程

static void Main(string[] args)
{
    Thread thread = new Thread(obj => { Thread.Sleep(3000); });
    thread.Start();
}

// 上面代码，tread为前台线程，主程序在3秒后结束。

static void Main(string[] args)
{
    Task<int> task = new Task<int>(() => 
    {
        Thread,Sleep(3000);
        return 1;
    });
    task.Start();
}

// 上面代码，task为后台线程，主程序会瞬间结束。

3、Task 可以有返回值，Thread 没有返回值

public static void Main(string[] args)
{
    Task<int> task = new Task<int>(LongRunningTask);
    task.Start();
    Console.WriteLine(task.Result);
}   

private static int LongRunningTask()
{
    Thread.Sleep(3000);
    return 1;
}

4、Task 可以执行后续操作，Thread 不能执行后续操作

4.Task API

4.1 创建和启动任务

不带返回值：

//1.  new方式实例化一个Task，需要通过Start方法启动
Task task1 = new Task(() =>
{
    Thread.Sleep(100);
    Console.WriteLine($"hello, task1的线程ID为{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
});
task1.Start();

//2.  Task.Factory.StartNew(Action action)创建和启动一个Task     
Task task2 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    Thread.Sleep(100);
    Console.WriteLine($"hello, task2的线程ID为{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
});

//3.  Task.Run(Action action)将任务放在线程池队列，返回并启动一个Task
Task task3 = Task.Run(() =>
{
    Thread.Sleep(100);
    Console.WriteLine($"hello, task3的线程ID为{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
});

Console.WriteLine("执行主线程！");
Console.ReadKey();

执行主线程！
hello, task1的线程ID为4
hello, task2的线程ID为6
hello, task3的线程ID为7

带返回值：

// 1.new方式实例化一个Task，需要通过Start方法启动
Task<string> task1 = new Task<string>(() =>
{
    return $"hello, task1的ID为{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}";
});
task1.Start();

// 2.Task.Factory.StartNew(Func func)创建和启动一个Task
Task<string> task2 =Task.Factory.StartNew<string>(() =>
{
    return $"hello, task2的ID为{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}";
});

// 3.Task.Run(Func func)将任务放在线程池队列，返回并启动一个Task
Task<string> task3= Task.Run<string>(() =>
{
    return $"hello, task3的ID为{ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}";
});

Console.WriteLine("执行主线程！");
Console.WriteLine(task1.Result);// 注意task.Result获取结果时会阻塞UI主线程
Console.WriteLine(task2.Result);
Console.WriteLine(task3.Result);
Console.ReadKey();

执行主线程！
hello, task1的ID为4
hello, task2的ID为6
hello, task3的ID为7

4.2 Task 等待、延续和组合

• Wait： 针对单个Task的实例，可以task1.wait进行线程等待（阻塞主线程）
• WaitAny： 线程列表中任何一个线程执行完毕即可执行（阻塞主线程）
• WaitAll： 线程列表中所有线程执行完毕方可执行（阻塞主线程）
• WhenAny： 与ContinueWith配合,线程列表中任何一个执行完毕，则继续ContinueWith中的任务（开启新线程，不阻塞主线程）
• WhenAll： 与ContinueWith配合,线程列表中所有线程执行完毕，则继续ContinueWith中的任务（开启新线程，不阻塞主线程）
• ContinueWith： 与WhenAny或WhenAll配合使用
• ContinueWhenAny： 等价于Task的WhenAny+ContinueWith
• ContinueWhenAll： 等价于Task的WhenAll+ContinueWith

//创建一个任务
Task<int> task = Task.Run<int>(() => 
{
    int sum = 0;
    Console.WriteLine("使用`Task`执行异步操作.");
    for (int i = 0; i < 1000; i++)
    {
        sum += i;
    }
    return sum;
});

Console.WriteLine("主线程执行其他处理");
//任务完成时执行处理。
Task cwt = task.ContinueWith(t =>
{
    Console.WriteLine("任务完成后的执行结果：{0}", t.Result.ToString());
});

task.Wait();
cwt.Wait();

Action<string,int> log = (name,time) =>
{
    Console.WriteLine($"{name}任务开始...");
    Thread.Sleep(time);
    Console.WriteLine($"{name}任务结束!");
};
List<Task> tasks = new List<Task>
{
    Task.Run(() => log("张三",3000)),
    Task.Run(() => log("李四",1000)),
    Task.Run(() => log("王五",2000))
};
//以下语句逐个测试效果
Task.WaitAny(tasks.ToArray());
Task.WaitAll(tasks.ToArray());
Task.WhenAny(tasks.ToArray()).ContinueWith(x => Console.WriteLine("某个Task执行完毕"));
Task.WhenAll(tasks.ToArray()).ContinueWith(x => Console.WriteLine("所有Task执行完毕"));
Task.Factory.ContinueWhenAny(tasks.ToArray(), x => Console.WriteLine("某个Task执行完毕"));
Task.Factory.ContinueWhenAll(tasks.ToArray(), x => Console.WriteLine("所有Task执行完毕"));

Console.ReadKey();

4.3 task.Result

等待获取task返回值，阻塞调用其他线程，直到当前异步操作完成，相当于调用wait方法

static void Main(string[] args)
{
    Task<string> task = Task.Run<string>(() => 
    {
        Thread.Sleep(3000);
        return "ming_堵塞线程";
    });

    Console.WriteLine(task.Result);
    Console.WriteLine("主线程执行");

    Console.ReadKey();
}

ming_堵塞线程
主线程执行

4.4 Task.Delay() 和 Thread.Sleep() 区别

• Thread.Sleep()是同步延迟， Task.Delay()是异步延迟。
• Thread.Sleep()会阻塞线程， Task.Delay()不会。
• Thread.Sleep()不能取消， Task.Delay()可以。
• Task.Delay()和Thread.Sleep()最大的区别是Task.Delay()旨在异步运行，在同步代码中使用Task.Delay()是没有意义的；在异步代码中使用Thread.Sleep()是一个非常糟糕的主意。通常使用await关键字调用Task.Delay()。

// 阻塞，出现CPU等待...
static void Main(string[] args)
{
    // 阻塞，出现CPU等待...
    Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff") + " ****** Start Sleep()******");
        for (int i = 1; i <=10; i++)
        {
            Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff") + "******Sleep******==>" + i);
            Thread.Sleep(1000);//同步延迟，阻塞一秒
        }
        Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff") + " ******End Sleep()******");
        Console.WriteLine();
    });

    // 不阻塞
    Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff") + " ======StartDelay()======");
        for (int i =1; i <=10; i++)
        {
            Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff") + " ======Delay====== ==>" + i);
            Task.Delay(1000);//异步延迟
        }
        Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff") + " ======End Delay()======");
        Console.WriteLine();
    });

    // 不阻塞等待三秒
    Task.Factory.StartNew(async() =>
    {
        Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff") + " ======StartDelay()======");
        for (int i =1; i <=10; i++)
        {
            Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff") + " ======Await Delay====== ==>" + i);
            await Task.Delay(1000);//异步延迟
        }
        Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff") + " ======End Delay()======");
        Console.WriteLine();
    });

    Console.ReadKey();
}

5.CancellationToken 和 CancellationTokenSource 取消线程

5.1 CancellationToken

属性：

//表示当前CancellationToken是否可以被取消
public bool CanBeCanceled { get; }
//表示当前CancellationToken是否已经是取消状态
public bool IsCancellationRequested { get; }

方法：

//往CancellationToken中注册回调
public CancellationTokenRegistration Register(Action callback);
//当CancellationToken处于取消状态时，抛出System.OperationCanceledException异常
public void ThrowIfCancellationRequested();

5.2 CancellationTokenSource

属性：

//表示Token是否已处于取消状态
public bool IsCancellationRequested { get; }
//CancellationToken 对象
public CancellationToken Token { get; }

方法：

//立刻取消
public void Cancel();
//立刻取消
public void Cancel(bool throwOnFirstException);
//延迟指定时间后取消
public void CancelAfter(int millisecondsDelay);
//延迟指定时间后取消
public void CancelAfter(TimeSpan delay);

5.3 示例

CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();
//注册一个线程取消后执行的逻辑
source.Token.Register(() =>
{
    //这里执行线程被取消后的业务逻辑.
    Console.WriteLine("-------------我是线程被取消后的业务逻辑---------------------");
});

Task.Run(() =>
{
    while (!source.IsCancellationRequested)
    {
        Thread.Sleep(100);
        Console.WriteLine("当前thread={0} 正在运行", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    }
}, source.Token);

Thread.Sleep(2000);
source.Cancel();

当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
当前thread=4 正在运行
-------------我是线程被取消后的业务逻辑---------------------
当前thread=4 正在运行

6.async 与 await

async:

• async 修饰符可将方法、lambda 表达式或匿名方法指定为异步。异步方法名字后习惯加个Async后缀
• async 关键字修饰的方法一般包含一个或多个await 表达式或语句，如果不包含 await 表达式或语句，则该方法将同步执行。 编译器警告将通知你不包含 await 语句的任何异步方法。
• async方法可以是下面三种返回类型：
  • Task
  • Task< TResult >
  • void 这种返回类型一般用在event事件处理器中,或者用在你只需要任务执行，不关心任务执行结果的情况当中。
  • 任何其他具有GetAwaiter方法的类型（从C#7.0开始）

await:

• await关键字只能在async 关键字修饰的方法（异步方法）中使用。
• await 运算符的操作数通常是以下其中一个 .NET 类型：Task、Task、ValueTask 或 ValueTask。 但是，任何可等待表达式都可以是 await 运算符的操作数。

示例：
无返回值：

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主线程--开始");
    var task = TestTaskAsync();
    task.ContinueWith(t => Console.WriteLine("TestTaskAsync方法结束后执行"));
    Console.WriteLine("主线程--结束");

    Console.ReadKey();
}

private static async Task TestTaskAsync()
{
    Console.WriteLine("开始执行TestTaskAsync方法");
    Task task = new Task(() =>
    {
        Console.WriteLine("开始子线程耗时操作");
        Thread.Sleep(4000);
        Console.WriteLine("结束子线程耗时操作");
    });
    task.Start();
    await task;
    Console.WriteLine("await关键字后面的内容 1");
}

带返回值：

// 方法一：使用ContinueWith
Task<int> task = TestTaskIntAsync();
task.ContinueWith((t) =>
{
    COnsole.WriteLine($"TestTaskIntAsync的返回值是：{t.Result.ToString()}");
});
// 方法二：使用await
Task<int> task = TestTaskIntAsync();
int result = await task;
Console.WriteLine($"TestTaskIntAsync的返回值是：{result }");

7.微软案例

以微软文档的做早餐的案例加以简化来讲解
1.同步执行

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace ThreadTest
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Stopwatch stopwatch = new Stopwatch();
            stopwatch.Start();
            PourOJ();
            PourCoffee();
            ToastBread();
            FryBacon();
            FryEggs();
            Console.WriteLine("早餐已经做完!");
            stopwatch.Stop();
            Console.WriteLine($"做早餐总计耗时：{stopwatch.ElapsedMilliseconds}");
            Console.ReadLine();
        }

        //倒橙汁
        private static void PourOJ()
        {
            Thread.Sleep(1000);
            Console.WriteLine("倒一杯橙汁");
        }

        //烤面包
        private static void ToastBread()
        {
            Console.WriteLine("开始烤面包");
            Thread.Sleep(3000);
            Console.WriteLine("烤面包好了");

        }

        //煎培根
        private static void FryBacon()
        {
            Console.WriteLine("开始煎培根");
            Thread.Sleep(6000);
            Console.WriteLine("培根煎好了");
        }
        //煎鸡蛋
        private static void FryEggs()
        {
            Console.WriteLine("开始煎鸡蛋");
            Thread.Sleep(6000);
            Console.WriteLine("鸡蛋好了");
        }

        //倒咖啡
        private static void PourCoffee()
        {
            Thread.Sleep(1000);
            Console.WriteLine("倒咖啡");
        }
    }
}

2.并行执行
如果此时我们每一项任务都有一个单独的人去完成
那么可以如下：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace ThreadTest
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Test();
            Console.ReadLine();
        }

        private static void Test()
        {
            Stopwatch stopwatch = new Stopwatch();
            stopwatch.Start();
            List<Task> tasks = new List<Task>() { PourOJ(), ToastBread(), FryBacon(), FryEggs(), PourCoffee() };
            Task.WhenAll(tasks).ContinueWith((t)=> 
            {
                Console.WriteLine("早餐已经做完!");
                stopwatch.Stop();
                Console.WriteLine($"做早餐总计耗时：{stopwatch.ElapsedMilliseconds}");
            });
        }

        //倒橙汁
        private static async Task PourOJ()
        {
            await Task.Delay(1000);
            Console.WriteLine("倒一杯橙汁");
        }

        //烤面包
        private static async Task ToastBread()
        {
            Console.WriteLine("开始烤面包");
            await Task.Delay(3000);
            Console.WriteLine("烤面包好了");

        }

        //煎培根
        private static async Task FryBacon()
        {
            Console.WriteLine("开始煎培根");
            await Task.Delay(6000);
            Console.WriteLine("培根煎好了");
        }
        //煎鸡蛋
        private static async Task FryEggs()
        {
            Console.WriteLine("开始煎鸡蛋");
            await Task.Delay(6000);
            Console.WriteLine("鸡蛋好了");
        }

        //倒咖啡
        private static async Task PourCoffee()
        {
            await Task.Delay(1000);
            Console.WriteLine("倒咖啡");
        }
    }
}

3.并行且可指定顺序执行
现在呢，有个问题，不可能每次做早餐你都有那么多帮手，同时帮你，如果现在要求，先倒橙汁，然后倒咖啡，其余的操作并行执行，应该如何操作呢？
只需将以上案例的Test 方法修改如下：

private static async void Test()
{
    Stopwatch stopwatch = new Stopwatch();
    stopwatch.Start();
    await PourOJ();
    await PourCoffee();            
    List<Task> tasks = new List<Task>() { ToastBread(), FryBacon(), FryEggs() };
    await Task.WhenAll(tasks);
    Console.WriteLine("早餐已经做完!");
    stopwatch.Stop();
    Console.WriteLine($"做早餐总计耗时：{stopwatch.ElapsedMilliseconds}");
}