C#併發程式設計之非同步程式設計(執行緒討論)

作者：艾心

連結：http://www.cnblogs.com/edison0621/p/10665819.html

寫在前面

本篇是非同步程式設計系列的第三篇，本來計劃第三篇的內容是介紹非同步程式設計中常用的幾個方法，但是前兩篇寫出來後，身邊的朋友總是會有其他問題，所以決定再續寫一篇，作為非同步程式設計(一)（https://www.cnblogs.com/edison0621/p/10542953.html）和非同步程式設計(二)（https://www.cnblogs.com/edison0621/p/10584279.html）的補充。

 

本篇內容主要討論，在我們的非同步程式碼裡，執行的到底是哪個執行緒，在執行長時間執行操作時執行緒發生了什麼。

Await之前

在一個被async修飾了的非同步方法裡，如果沒有遇到await，你的程式碼將一直在呼叫執行緒上。

 

在UI應用程式裡，比如ASP.NET或者WinForm程式裡，你的程式碼會在ASP.NET工作執行緒或WinForm工作執行緒上執行。

 

我們來看一下以下範例

public async Task GetResultAsync()
{
    Console.WriteLine();
    User user = this.GetUserAsync();
    //call other code
    return Task.CompletedTask;
}

 

以上範例裡，我們在一個非同步方法裡呼叫了另一個非同步方法，但是我們並沒有使用await，這段程式碼依然在原始呼叫執行緒上執行，此時這個方法只是扮演了一個傳播非同步的作用。

 

當我們在UI執行緒上如此程式設計的時候，程式碼在UI執行緒是執行，在沒有執行結束之前，頁面是沒有響應的。所以如果頁面長時間沒有響應，未必是非同步導致的，可能會有其他原因，需要綜合考慮，可以藉助效能分析器來檢視影響系統的原因在哪裡。

Await中

程式碼到達await後，到底是哪一個執行緒在執行非同步操作呢。

 

我們以ASP.NET為例，對於網路請求之類的操作，此時沒有執行緒在執行非同步操作，他們都被阻塞了，正在等待操作完成。但是如果使用了Task.Run，那麼執行該任務時就要用到執行緒池裡的執行緒了。

 

那麼問題來了，我們在編寫非同步方法的時候，確確實實可以看到這個方法被執行了，肯定有執行緒執行才行啊。

 

對的，確實需要執行緒來執行，這個執行緒我們把它稱之為是IO完成埠執行緒。此執行緒等待網路請求完成，同時它在所有網路請求之間共享。當網路請求完成時，作業系統中的中斷處理程式會以Job方式新增到IO完成埠的佇列中。在請求發起後，響應傳回前，它們需要依次由單個IO完成埠處理。

 

實際上，一般情況下只有少量IO完成埠執行緒，以充分利用多個CPU核心。需要註意的是，無論當前有多少個請求，我們的執行緒數量都是固定的。

 

參考以下執行圖

SynchronizationContext

我在非同步程式設計(一)這邊文章裡，有講到SynchronizationContext這個類，它是.NET框架提供的類，可以在特定型別的執行緒中執行程式碼。

 

.NET使用各種SynchronizationContext，常見的有ASP.NET、WinForms和WPF使用的UI執行緒背景關係。

 

SynchronizationContext的實體本身並沒有特殊的地方，其實體指向的是其子類，具有靜態成員，可以用於讀取和控制當前的SynchronizationContext。

 

當前SynchronizationContext是當前執行緒的屬性。在一個特定執行緒所執行到的任意的地方，都能夠獲取當前的SynchronizationContext並儲存它，並且可以使用SynchronizationContext，在所啟動的這個特定執行緒上執行程式碼。綜上所述，我們並不需要知道程式碼在哪個執行緒上啟動，只需要使用到SynchronizationContext，我們就可以傳回到啟動執行緒。

 

SynchronizationContext的重要方法是POST，它可以使委託在正確的背景關係中執行。

 

某些SynchronizationContext封裝單個執行緒，如UI執行緒。有些執行緒封裝了特定型別的執行緒，例如執行緒池，但可以選擇將委託傳送到其中的任何一個執行緒。有些不會更改程式碼執行在哪個執行緒上，而只用於監視，如ASP.NET SynchronizationContext。

 

到這個地方，我們就需要瞭解一個問題了。在await之前，我們的程式碼是在呼叫執行緒上執行，那麼await之後，恢復方法時到了哪個執行緒上了？

 

實際上，大多數情況下，await後的程式碼也由呼叫執行緒執行，儘管呼叫執行緒可能在等待期間做了其他事情。C#使用SynchronizationContext來完成此操作。

 

當等待任務完成時，當前的同步背景關係被儲存為暫停方法的一部分。然後，當方法恢復時，await關鍵字的基礎結構使用POST在捕獲的同步背景關係上恢復該方法。

 

既然有大多數情況，那麼肯定也有小眾情況吧，以下情況可以在不同的執行緒上執行

 

• SynchronizationContext具有多個執行緒，如執行緒池

• SynchronizationContext不是真正切換執行緒的背景關係

• 到達等待時，沒有當前的同步背景關係，例如在控制檯應用程式中

• 將任務配置為不使用同步背景關係來恢復

 

註意：對於UI應用程式來說，在同一執行緒上恢復是最重要的，我們等待之後安全的操作UI。

解析非同步操作

以WinForm為例，我們設計一個按鈕，用於下載我們喜歡的小圖示。使用者點選按鈕之後，UI執行緒啟動，並會執行響應的操作，以下圖片展示了一個非同步操作的流程，以及期間UI執行緒與IO執行緒是如何切換的

 

 

1、使用者單擊該按鈕，事件處理程式GetButton_OnClick開始排隊等待執行。

 

2、使用者介面執行緒執行GetButton_OnClick的前半部分，包括對GetFaviconAsync的呼叫。

 

3、UI執行緒繼續進入GetFaviconAsync並執行其前半部分，包括對DownloadDataTaskAsync的呼叫。

 

4、UI執行緒繼續進入DownloadDataTaskAsync，它啟動下載並傳回任務。

 

5、UI執行緒離開DownloadDataTaskAsync，並傳回GgetFaviconAsync處的await。

 

6、當前的UI執行緒捕獲到了SynchronizationContext。

 

7、GetFaviconAsyncy因為有await的標識，會等待，當DownloadDataTaskAsync完成後GetFaviconAsyncy便會使用捕獲到的SynchronizationContext恢復。

 

8、使用者執行緒離開GetFaviconAsync，並傳回一個任務，並執行到GetButton_OnClick中的await。

 

9、類似地，GetButton_OnClick被等待暫停。

 

10、使用者執行緒離開GetButton_OnClick，可能會用於處理其他操作。【此時，我們正在等待圖示下載。可能需要幾秒鐘。註意，UI執行緒可以自由處理其他使用者操作，而IO完成埠執行緒尚未涉及到。操作期間阻塞的執行緒總數為零。】

 

11、下載完成，因此IO完成埠在DownloadDataTaskAsync中對邏輯進行排隊處理。

 

12、IO完成埠執行緒將把DownloadDataTaskAsync傳回的任務設定為完成。

 

13、IO完成埠執行緒在任務內部執行程式碼並處理完成，並會呼叫捕獲到的同步背景關係（UI執行緒）上的POST以繼續執行接下來的程式碼。

 

14、IO完成埠執行緒被釋放並可能在其他IO上工作。

 

15、使用者介面執行緒找到POST指令，並繼續執行GetFaviconAsync的後半部分，直到結束。

 

16、當UI執行緒離開GetFaviconAsync時，它會將GetFaviconAsync傳回的任務設定為完成。

 

17、在這個執行點裡，當前的同步背景關係與捕獲的背景關係相同，因而無需用到POST，UI執行緒也會繼續同步進行。【此邏輯在WPF中是無效的，因為WPF經常建立新的

SynchronizationContext物件。儘管它們是等效的，這使得TPL認為它需要重新POST。】

 

18、使用者執行緒繼續執行GetButton_OnClick的後半部分，直到結束。

總結

同步背景關係的每個實現都是以不同的方式執行POST的，這是非常消耗效能的事情。為了避免這種開銷.

 

.NET內部也是有自己的最佳化機制的，它會在捕獲的SynchronizationContext與任務完成時的當前背景關係相同時，不使用POST。很有意思的是，如果你使用除錯器檢視這種情況，會發現呼叫堆疊是顛倒的。

 

但是，當同步背景關係不同時，這就需要用到系統開銷了。在效能關鍵的程式碼中或者某個程式碼庫中，如果我們並不不關心使用到了哪個執行緒，這個時候我們也可以透過自己的手動操作來避開這種開銷。

 

在等待任務之前呼叫ConfigureaWait來完成。這樣就不會恢復到原始同步背景關係。

 

byte[] bytes = await httpClient.PostAsJsonAsync(url,data)               .ConfigureAwait(false).ReadAsStreamAsync();

 

不過，ConfigureAwait並不是嚴格的指令，它是.NET設計的一個標識，用來告訴執行時我們不介意方法在哪個執行緒上執行。如果該執行緒不重要（執行緒池執行緒），它將會繼續執行程式碼。

 

如果是很重要的執行緒，.NET會透過自身機制將執行緒釋放，讓它來做其他事情，而方法也將在執行緒池中恢復。.NET使用執行緒的當前的SynchronizationContext來判斷它是否重要。

 

前文有說過，本文再提一次，在同步程式碼中執行非同步程式碼，可能有隱藏的問題。Task有一個Result屬性，該屬性阻止等待任務完成。如以下程式碼：

var result = GetUserAsync().Result;

 

但是如果在只有一個執行緒（如UI執行緒）的SynchronizationContext使用就會發生死鎖現象。解決問題的方法就是，我們可以使用執行緒池執行緒來解決這個問題。如以下程式碼：

 

var result = Task.Run(() =>GetUserAsync()).Result;