[C#.NET 拾遗补漏]16：几个常见的TAP异步操作

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2023-01-09
C# Volatile
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标签   C#
以下文章来源于精致码农 ，作者liamwang

现代应用程序广泛使用的是基于任务的异步编程模式（TAP），历史的 EAP 和 AMP 模式已经过时不推荐使用。今天继续总结一下 TAP 的异步操作，比如取消任务、报告进度、Task.Yield()、ConfigureAwait() 和并行操作等。

虽然实际 TAP 编程中很少使用到任务的状态，但它是很多 TAP 操作机理的基础，所以下面先从任务状态讲起。

1任务状态

Task 类为异步操作提供了一个生命周期，这个周期由 TaskStatus 枚举表示，它有如下值：

public enum TaskStatus
{
    Created = 0,
    WaitingForActivation = 1,
    WaitingToRun = 2,
    Running = 3,
    WaitingForChildrenToComplete = 4,
    RanToCompletion = 5,
    Canceled = 6,
    Faulted = 7
}

其中 Canceled、Faulted 和 RanToCompletion 状态一起被认为是任务的最终状态。因此，如果任务处于最终状态，则其 IsCompleted 属性为 true 值。

手动控制任务启动

为了支持手动控制任务启动，并支持构造与调用的分离，Task 类提供了一个 Start 方法。由 Task 构造函数创建的任务被称为冷任务，因为它们的生命周期处于 Created 状态，只有该实例的 Start 方法被调用才会启动。

任务状态平时用的情况不多，一般我们在封装一个任务相关的方法时，可能会用到。比如下面这个例子，需要判断某任务满足一定条件才启动：

static void Main(string[] args)
{
    MyTask t = new(() =>
    {
        // do something.
    });

    StartMyTask(t);

    Console.ReadKey();
}

public static void StartMyTask(MyTask t)
{
    if (t.Status == TaskStatus.Created && t.Counter>10)
    {
        t.Start();
    }
    else
    {
        // 这里模拟计数，直到 Counter>10 再执行 Start 
        while (t.Counter <= 10)
        {
            // Do something
            t.Counter++；
        }
        t.Start();
    }
}

public class MyTask : Task
{
    public MyTask(Action action) : base(action)
    {
    }

    public int Counter { get; set; }
}

同样，TaskStatus.Created 状态以外的状态，我们叫它热任务，热任务一定是被调用了 Start 方法激活过的。

确保任务已激活

注意，所有从 TAP 方法返回的任务都必须被激活，比如下面这样的代码：

MyTask task = new(() =>
{
    Console.WriteLine("Do something.");
});

// 在其它地方调用
await task;

在 await 之前，任务没有执行 Task.Start 激活，await 时程序就会一直等待下去。所以如果一个 TAP 方法内部使用 Task 构造函数来实例化要返回的 Task，那么 TAP 方法必须在返回 Task 对象之前对其调用 Start。

2任务取消

在 TAP 中，取消对于异步方法实现者和消费者来说都是可选的。如果一个操作允许取消，它就会暴露一个异步方法的重载，该方法接受一个取消令牌(CancellationToken 实例)。按照惯例，参数被命名为 cancellationToken。例如：

public Task ReadAsync(
    byte [] buffer, int offset, int count,
    CancellationToken cancellationToken)

异步操作会监控这个令牌是否有取消请求。如果收到取消请求，它可以选择取消操作，如下面的示例通过 while 来监控令牌的取消请求：

static void Main(string[] args)
{
    CancellationTokenSource source = new();
    CancellationToken token = source.Token;

    var task = DoWork(token);

    // 实际情况可能是在稍后的其它线程请求取消
    Thread.Sleep(100);
    source.Cancel();

    Console.WriteLine($"取消后任务返回的状态：{task.Status}");

    Console.ReadKey();
}

public static Task DoWork(CancellationToken cancellationToken)
{
    while (!cancellationToken.IsCancellationRequested)
    {
        // Do something.
        Thread.Sleep(1000);

        return Task.CompletedTask;
    }
    return Task.FromCanceled(cancellationToken);
}

如果取消请求导致工作提前结束，甚至还没有开始就收到请求取消，则 TAP 方法返回一个以 Canceled 状态结束的任务，它的 IsCompleted 属性为 true，且不会抛出异常。当任务在 Canceled 状态下完成时，任何在该任务注册的延续任务仍都会被调用和执行，除非指定了诸如 NotOnCanceled 这样的选项来选择不延续。

但是，如果在异步任务在工作时收到取消请求，异步操作也可以选择不立刻结束，而是等当前正在执行的工作完成后再结束，并返回 RanToCompletion 状态的任务；也可以终止当前工作并强制结束，根据实际业务情况和是否生产异常结果返回 Canceled 或 Faulted 状态。

对于不能被取消的业务方法，不要提供接受取消令牌的重载，这有助于向调用者表明目标方法是否可以取消。

3进度报告

几乎所有异步操作都可以提供进度通知，这些通知通常用于用异步操作的进度信息更新用户界面。

在 TAP 中，进度是通过 IProgress<T> 接口来处理的，该接口作为一个参数传递给异步方法。下面是一个典型的的使用示例：

static void Main(string[] args)
{
    var progress = new Progress<int>(n =>
    {
        Console.WriteLine($"当前进度：{n}%");
    });

    var task = DoWork(progress);

    Console.ReadKey();
}

public static async Task DoWork(IProgress<int> progress)
{
    for (int i = 1; i <= 100; i++)
    {
        await Task.Delay(100);
        if (i % 10 == 0)
        {
            progress?.Report(i);
        };
    }
}

输出如下结果：

当前进度：10%
当前进度：20%
当前进度：30%
当前进度：40%
当前进度：50%
当前进度：60%
当前进度：70%
当前进度：80%
当前进度：90%
当前进度：100%

IProgress<T> 接口支持不同的进度实现，这是由消费代码决定的。例如，消费代码可能只关心最新的进度更新，或者希望缓冲所有更新，或者希望为每个更新调用一个操作，等等。所有这些选项都可以通过使用该接口来实现，并根据特定消费者的需求进行定制。例如，如果本文前面的 ReadAsync 方法能够以当前读取的字节数的形式报告进度，那么进度回调可以是一个 IProgress<long> 接口。

public Task ReadAsync(
    byte[] buffer, int offset, int count,
    IProgress<long> progress)

再如 FindFilesAsync 方法返回符合特定搜索模式的所有文件列表，进度回调可以提供工作完成的百分比和当前部分结果集，它可以用一个元组来提供这个信息。

public Task<ReadOnlyCollection<FileInfo>> FindFilesAsync(
    string pattern,
    IProgress<Tuple<double, ReadOnlyCollection<List<FileInfo>>>> progress)

或使用 API 特有的数据类型：

public Task<ReadOnlyCollection<FileInfo>> FindFilesAsync(
    string pattern,
    IProgress<FindFilesProgressInfo> progress)

如果 TAP 的实现提供了接受 IProgress<T> 参数的重载，它们必须允许参数为空，在这种情况下，不会报告进度。IProgress<T> 实例可以作为独立的对象，允许调用者决定如何以及在哪里处理这些进度信息。

4Task.Yield 让步

我们先来看一段 Task.Yield() 的代码：

Task.Run(async () =>
{
    for(int i=0; i<10; i++)
    {
        await Task.Yield();
        ...
    }
});

这里的 Task.Yield() 其实什么也没干，它返回的是一个空任务。那 await 一个什么也没做的空任务有什么用呢？

我们知道，对计算机来说，任务调度是根据一定的优先策略来安排线程去执行的。如果任务太多，线程不够用，任务就会进入排队状态。而 Yield 的作用就是让出等待的位置，让后面排除的任务先行。它字面上的意思就是让步，当任务做出让步时，其它任务就可以尽快被分配线程去执行。举个现实生活中的例子，就像你在排队办理业务时，好不容易到你了，但你的事情并不急，自愿让出位置，让其他人先办理，自己假装临时有事到外面溜一圈什么事也没干又回来重新排队。默默地做了一次大善人。

Task.Yield() 方法就是在异步方法中引入一个让步点。当代码执行到让步点时，就会让出控制权，去线程池外面兜一圈什么事也没干再回来重新排队。

5定制异步任务后续操作

我们可以对异步任务执行完成的后续操作进行定制。常见的两个方法是 ConfigureAwait 和 ContinueWith。

ConfigureAwait

我们先来看一段 Windows Form 中的代码：

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    var content = CurlAsync().Result;
    ...
}

private async Task<string> CurlAsync()
{
    using (var client = new HttpClient())
    {
        return  await client.GetStringAsync("http://geekgist.com");
    }
}

想必大家都知道 CurlAsync().Result 这句代码在 Windows Form 程序中会造成死锁。原因是 UI 主线程执行到这句代码时，就开始等待异步任务的结果，处于阻塞状态。而异步任务执行完后回来准备找 UI 线程继续执行后面的代码时，却发现 UI 线程一直处于“忙碌”的状态，没空搭理回来的异步任务。这就造成了你等我，我又在等你的尴尬局面。

当然，这种死锁的情况只会在 Winform 和早期的 ASP.NET WebForm 中才会发生，在 Console 和 Web API 应用中不会生产死锁。

解决办法很简单，作为异步方法调用者，我们只需改用 await 即可：

private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    var content = await CurlAsync();
    ...
}

在异步方法内部，我们也可以调用任务的 ConfigureAwait(false) 方法来解决这个问题。如：

private async Task<string> CurlAsync()
{
    using (var client = new HttpClient())
    {
        return  await client
            .GetStringAsync("http://geekgist.com")
            .ConfigureAwait(false);
    }
}

虽然两种方法都可行，但如果作为异步方法提供者，比如封装一个通用库时，考虑到难免会有新手开发者会使用 CurlAsync().Result，为了提高通用库的容错性，我们就可能需要使用 ConfigureAwait 来做兼容。

ConfigureAwait(false) 的作用是告诉主线程，我要去远行了，你去做其它事情吧，不用等我。只要先确保一方不在一直等另一方，就能避免互相等待而造成死锁的情况。

ContinueWith

ContinueWith 方法很容易理解，就是字面上的意思。作用是在异步任务执行完成后，安排后续要执行的工作。示例代码：

private void Button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    var backgroundScheduler = TaskScheduler.Default;
    var uiScheduler = TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext();
    Task.Factory
        .StartNew(_ => DoBackgroundComputation(), backgroundScheduler)
        .ContinueWith(_ => UpdateUI(), uiScheduler)
        .ContinueWith(_ => DoAnotherBackgroundComputation(), backgroundScheduler)
        .ContinueWith(_ => UpdateUIAgain(), uiScheduler);
}

如上，可以一直链式的写下去，任务会按照顺序执行，一个执行完再继续执行下一个。若其中一个任务返回的状态是 Canceled 时，后续的任务也将被取消。这个方法有好些个重载，在实际用到的时候再查看文档即可。

6总结

本文内容都是相对比较基础的 TAP 异步操作知识点。C# 的 TAP 很强大，提供的 API 也很多，远不止本文讲的这些，都是围绕 Task 转的。关键是要理解好基础操作，才能灵活使用更高级的功能。希望本文对你有所帮助。

参考：

https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/standard/asynchronous-programming-patterns/task-based-asynchronous-pattern-tap
https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/standard/asynchronous-programming-patterns/implementing-the-task-based-asynchronous-pattern
https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/standard/asynchronous-programming-patterns/consuming-the-task-based-asynchronous-pattern
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