去年换工作时系统复习了一下.NET Core多线程相关专题,学习了一线码农老哥的《.NET 5多线程编程实战》课程,我将复习的知识进行了总结形成本专题。
本篇,我们来复习一下异步的相关知识点,预计阅读时间10分钟。
理解异步的本质
(1)异步是什么?
举个例子,在高峰期去餐厅吃饭,会先排队拿个小票,然后去逛一下玩玩,等到排到时会被通知就餐,这时再回到餐厅就可以点餐了。
同步示意图:
异步示意图:
(2)同步有什么弊端
时间片切换成本高!
- CPU密集型操作:编码解码、图形计算、正则表达式等
- IO密集型操作:和硬件打交道,和DB打交道等
- 线程太多的烦恼/代价:
- 新开Thread是有开销的(时间、空间)
- GC回收会冻结所有线程寻找引用根(gcroot)
程序有可能会卡死!
- Thread会和网络驱动程序打交道(外网络地址)
- ThreadPool中的WorkQueue任务(4000+)得不到处理
- 异步:async/await
(3)C#如何使用异步?
ThreadPool线程池分类:
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workThread:
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适用于CPU密集型,在WinDbg中标签为 ThreadPool Worker
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IOThread:
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适用于IO密集型,在WinDbg中标签为 ThreadPool Completion Port
HttpClient案例演示:在下面的代码中GetContentLengthAsync异步方法中的线程就用的IOThread,可以通过WinDbg验证。
namespace ConsoleApp3 { class Program { static void Main(string[] args) { GetContentLengthAsync("http://cnblogs.com"); Console.WriteLine($"主线程:{Environment.CurrentManagedThreadId}, 准备退出!"); Console.ReadLine(); } static async Task<int> GetContentLengthAsync(string url) { using (HttpClient client = new HttpClient()) { var content = await client.GetStringAsync(url); Console.WriteLine($"当前线程:{Environment.CurrentManagedThreadId}, content={content.Length}"); return content.Length; } } } }
异步的底层:IO完成端口
(1)理解IO完成端口
异步的核心:callback机制
IO完成端口:这是一个Windows内核对象,我们常称之为IOCP。IOCP是一个异步I/O的Windows API,它可以高效地将I/O事件通知给应用程序,类似于Linux中的Epoll。因此,.NET Framework是基于IOCP来实现的异步,而.NET Core则增加了基于epoll来实现异步,因为它要支持跨平台而不只是Windows。SafeHandle:文件句柄、网络句柄...
核心步骤:
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初始化时将SafeHandle、ThreadPool与IO完成端口进行绑定(比如:FileStream在Init时)
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(主线程)创建IO完成端口:CreateIoCompletionPort(IntPtr FileHandle, IntPtr ExistingCompletionPort, IntPtr CompletionKey, uint NumberOfConcurrentThreads)
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(主线程)将消息塞到IO完成端口的Queue队列:PostQueuedCompletionStatus
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(子线程)从IO完成端口的Queue队列中获取消息:GetQueuedCompletionStatu
(2)实现一个简单的IO完成端口
自定义一个IOCP类,代码如下:
public class IOCP { [DllImport("kernel32.dll", CharSet = CharSet.Auto, SetLastError = true)] public static extern SafeFileHandle CreateIoCompletionPort(IntPtr FileHandle, IntPtr ExistingCompletionPort, IntPtr CompletionKey, uint NumberOfConcurrentThreads); [DllImport("kernel32.dll", CharSet = CharSet.Auto, SetLastError = true)] public static extern bool GetQueuedCompletionStatus(SafeFileHandle CompletionPort, out uint lpNumberOfBytesTransferred, out IntPtr lpCompletionKey, out IntPtr lpOverlapped, uint dwMilliseconds); [DllImport("Kernel32", CharSet = CharSet.Auto)] public static extern bool PostQueuedCompletionStatus(SafeFileHandle CompletionPort, uint dwNumberOfBytesTransferred, IntPtr dwCompletionKey, IntPtr lpOverlapped); }
调用端代码如下:
// 1. 创建IO完成端口 var safehandle = IOCP.CreateIoCompletionPort(new IntPtr(-1), IntPtr.Zero, IntPtr.Zero, 1); var thread = new Thread(() => { Console.WriteLine($"工作线程: {Environment.CurrentManagedThreadId} 开始获取数据..."); while (true) { // 3. get数据 IOCP.GetQueuedCompletionStatus(safehandle, out var ipn, out var ipc, out var lop, int.MaxValue); var receiveData = Convert.ToString(GCHandle.FromIntPtr(lop).Target); Console.WriteLine($"工作线程: {Environment.CurrentManagedThreadId} 获取数据成功!{receiveData}"); Thread.Sleep(1000); } }); thread.Start(); // 2. post 数据 var data = (IntPtr)GCHandle.Alloc("hello world"); IOCP.PostQueuedCompletionStatus(safehandle, 4096, IntPtr.Zero, data); Console.WriteLine($"主线程: {Environment.CurrentManagedThreadId} 塞入数据成功!"); Console.ReadLine();
加深对异步的理解
我们都知道 ContinueWith 主要起 延续任务的作用,写起来十分繁琐!.NET 4.5推出了语法糖async/await大大简化了异步编程的工作量。
下面展示使用ContinueWith 和 async/await 的两种方式的代码量:
/// <summary> /// continutewith 的版本 /// </summary> /// <returns></returns> static Task<List<string>> GetContentListContinute() { var list = new List<string>(); SqlConnection connection = new SqlConnection("Server=LocalHost; Persist Security Info=False;Integrated Security=SSPI;Database= PostDB;"); var task = connection.OpenAsync().ContinueWith(t => { SqlCommand command = new SqlCommand("select PostContent from Post", connection); return command.ExecuteReaderAsync().ContinueWith(t2 => { var reader = t2.Result; return GetContent(reader, list).ContinueWith(t3 => { return list; }); }).Unwrap(); }).Unwrap(); return task; } static Task<bool> GetContent(SqlDataReader reader, List<string> list) { return reader.ReadAsync().ContinueWith(t => { var hasRow = t.Result; if (hasRow) { list.Add(reader.GetString(0)); //读取reader的值 GetContent(reader, list); } return false; }); } /// <summary> /// await+async 的异步写法 /// </summary> /// <returns></returns> static async Task<List<string>> GetContentListAsync() { List<string> list = new List<string>(); SqlConnection connection = new SqlConnection("Server=LocalHost; Persist Security Info=False;Integrated Security=SSPI;Database= PostDB;"); await connection.OpenAsync(); SqlCommand command = new SqlCommand("select PostContent from Post", connection); var reader = command.ExecuteReader(); while (await reader.ReadAsync()) { list.Add(reader.GetString(0)); } return list; }
async/await语法糖的底层原理
从编译后的IL代码来看,async/await只是编译器提供的语法糖,它并不是一种新的异步模型,而只是一种简化异步代码编写的方式。
从反编译后的代码来看,对于async/await的方法编译器会新生成一个实现了IAsyncStateMachine接口的状态机类。
(1)IAsyncStateMachine接口定义:
public interface IAsyncStateMachine { void MoveNext(); void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine); }
(2)IAsyncStateMachine实现类的基本执行步骤
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step1.初始化一个异步状态机machine
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step2.初始化一个AsyncTaskMethodBuilder的实例,赋予machine.builder
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step3.设置异步状态机的状态为-1,将类传入到状态机内部
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step4.调用machine.builder的start方法
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step5.返回machine.builder.Task
(3).NET提供异步方式的总结:
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.NET 4.5开始提供的async/await,本质是.NET 4.0的Task + 状态机
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.NET 4.0开始提供的Task,本质是.NET 3.5提供的Thread+ThreadPool+等待/取消等API操作
小结
本篇,我们复习了异步相关的基础知识,但由于内容太多,因此将其拆分为了两篇推文。下一篇,我们继续异步相关知识。
参考资料
一线码农,腾讯课堂《.NET 5多线程编程实战》
不明作者,《Task调度与await》
作者:周旭龙
出处:https://edisonchou.cnblogs.com
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