一文看懂"async"和“await”关键词是如何简化了C#中多线程的开发过程
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2021-11-20 11:22
一文看懂"async"和“await”关键词是如何简化了C#中多线程的开发过程
当我们使用需要长时间运行的方法（即，用于读取大文件或从网络下载大量资源）时，在同步的应用程序中，应用程序本身将停止运行，直到活动完成。在这些情况下，异步编程非常有用：它使我们能够并行执行不同任务，并在需要时等待其完成。
这种方法有许多不同的模型类型：APM（异步编程模型），基于事件（异步模型EAP），以及TAP，基于任务的（异步模型任务）。让我们看看如何使用关键字async和await在C＃中实现第三个方法。
编写异步代码的主要问题之一是可维护性：实际上，许多人普遍认为这种编程方法会使代码复杂化。幸运的是，C＃5引入了一种简化的方法，在该方法中，编译器运行由开发人员先前完成的艰巨任务，并且应用程序保留类似于同步代码的逻辑结构。
让我们举个例子。假设我们有一个.NET Core项目，我们应该在其中管理三个实体：Area，Company和Resource。
public class Area{public int Id { get; set; }[Required][StringLength(255)]public string Name { get; set; }}public class Company{public int Id { get; set; }[Required][StringLength(255)]public string Name { get; set; }}public class Resource{public int Id { get; set; }[Required][StringLength(255)]public string Name { get; set; }}
现在假设我们应该使用Entity Framework Core将这些实体的值保存在数据库中。其DbContext是：
public class AppDbContext : DbContext{public DbSet<Area> Areas { get; set; }public DbSet<Company> Companies { get; set; }public DbSet<Resource> Resources { get; set; }public AppDbContext(DbContextOptions<AppDbContext> options) : base(options) {}override protected void OnModelCreating(ModelBuilder modelBuilder){modelBuilder.Entity<Area> ().HasData(new Area { Id = 1, Name = "Area1"},new Area { Id = 2, Name = "Area2"},new Area { Id = 3, Name = "Area3"},new Area { Id = 4, Name = "Area4"},new Area { Id = 5, Name = "Area5"});modelBuilder.Entity<Company> ().HasData(new Area { Id = 1, Name = "Company1"},new Area { Id = 2, Name = "Company2"},new Area { Id = 3, Name = "Company3"},new Area { Id = 4, Name = "Company4"},new Area { Id = 5, Name = "Company5"});modelBuilder.Entity<Resource>().HasData(new Area { Id = 1, Name = "Resource1"},new Area { Id = 2, Name = "Resource2"},new Area { Id = 3, Name = "Resource3"},new Area { Id = 4, Name = "Resource4"},new Area { Id = 5, Name = "Resource5"});}}
从代码中可以看到，我们插入了一些示例数据进行处理。现在假设我们要使用Controller API公开这些数据，既单独（针对每个实体），又使用将它们全部联接在一起的方法，并通过一次调用返回它们。
使用同步方法，Controller API 将是：
[ApiController][Route("[controller]")]public class DataController : ControllerBase{private readonly AppDbContext db = null;public DataController(AppDbContext db){this.db = db;}public IActionResult Get(){var areas = this.GetAreas();var companies = this.GetCompanies();var resources = this.GetResources();return Ok(new { areas = areas, companies = companies, resources = resources });}[Route("areas")]public Area[] GetAreas(){return this.db.Areas.ToArray();}[Route("companies")]public Company[] GetCompanies(){return this.db.Companies.ToArray();}[Route("resources")]public Resource[] GetResources(){return this.db.Resources.ToArray();}}
Get（）方法在其中调用返回单个结果的三个方法，并等待每个方法的执行完成后再传递到下一个结果。这三种方法互不相关，因此您无需等待其中一种方法的执行即可调用另一种方法。然后，您可以创建三个独立的任务以并行执行。
第一种方法可以基于该方法Task.Run()作业运行在线程池之上，并返回一个任务对象，它代表了这项工作。这样，方法可以在线程池的不同线程上同时运行：
public IActionResult Get(){var areas = Task.Run(() = > this.GetAreas());var companies = Task.Run(() = > this.GetCompanies());var resources = Task.Run(() = > this.GetResources());Task.WhenAll(areas, companies, resources);return Ok(new { areas = areas.Result, companies = companies.Result, resources = resources.Result });}
Task的Result属性包含详细说明的结果。方法WhenAll允许暂停当前线程执行，直到所有Task完成。运行代码，我们可以注意到一个有趣的事情：调用中断，并启动以下异常：
AggregateException：发生一个或多个错误。（在上一个操作完成之前，第二个操作在此上下文上开始。这通常是由使用相同DbContext实例的不同线程引起的。有关如何避免DbContext线程问题的更多信息，请参见https://go.microsoft.com/fwlink/?linkid=2097913。[1]）
此错误消息告诉我们，方法在不同的线程上同时执行，但是由于它们使用与DbContext 相同的实例来连接数据库， 因此引发了异常，DbContext类无法确保线程安全的功能：我们可以轻松地绕过此问题，避免了.NET Core 的依赖注入引擎创建单个实例，而我们为每种方法创建了单独的实例。作为示例，让我们看看方法GetAreas（）会如何变化：
public class DataController : ControllerBase{private readonly DbContextOptionsBuilder <AppDbContext> optionsBuilder = null;public DataController(IConfiguration configuration){this.optionsBuilder = new DbContextOptionsBuilder <AppDbContext> ().UseSqlite(configuration.GetConnectionString("DefaultConnection"));}[Route("areas")]public Area[] GetAreas(){using(var db = new AppDbContext(this.optionsBuilder.Options)){return db.Areas.ToArray();}}}
好吧，现在可以了。我们应该注意，EFCore提供了一些方法，例如，与方法ToArrayAsync一样，使用相同的DbContext进行异步调用，该方法从IQueryable 创建一个数组，该数组 异步枚举它。此方法返回Task ，它是表示异步操作的活动。
这样，我们不再需要使用Task.Run（）：
public IActionResult Get(){var areas = this.GetAreas();var companies = this.GetCompanies();var resources = this.GetResources();Task.WhenAll(areas, companies, resources);return Ok(new { areas = areas.Result, companies = companies.Result, resources = resources.Result });}[Route("areas")]public Task<Area[]> GetAreas(){return db.Areas.ToArrayAsync();}
无论如何，Microsoft不能保证这些异步方法在每种情况下都能工作，因为DbContext尚未设计为线程安全的。您可以查询此链接以获取更多信息：https : //docs.microsoft.com/zh-cn/ef/core/querying/async
使用Entity Framework Core时，最佳实践是在启动另一个异步操作之前，为每个异步操作都拥有一个DbContext或等待每个异步操作完成。当我们必须进行异步调用并返回结果时，这种最佳做法是可以的。
但是，如果我们想在返回结果之前对结果进行一些操作，会发生什么？如果我们想向列表中添加元素怎么办？我们应该等待结果，添加元素，然后返回修改后的列表：
[Route("companies")]public Task<Company[]> GetCompanies(){using (var db = new AppDbContext(this.optionsBuilder.Options)){var data = this.db.Companies.ToListAsync().Result;data.Insert(0, new Company() { Id = 0, Name = "-"});return data.ToArray();}}
不幸的是，该代码无法编译，因为data.ToArray（）返回的是数组而不是Task。实际上，这里我们需要三个线程：主调用方（Get（）），数据库查询（this.db.Companies.ToListAsync（））和一个线程，该线程将一个值添加到列表中。我们有三种方法可以做到这一点：让我们用三种单一方法来查看它们。我们已经看到的第一个，可以使用Task.Run（）方法：
[Route("companies")]public Task<Company[]> GetCompanies(){return Task.Run(() =>{using (var db = new AppDbContext(this.optionsBuilder.Options)){var data = db.Companies.ToList();data.Insert(0, new Company() { Id = 0, Name = "-" });return data.ToArray();}});}
作为替代方案，我们可以使用方法ContinueWith（），该方法可以应用于任务，并且可以在上一个方法完成后立即指定要运行的新任务：
[Route("resources")]public Task <Resource[]> GetResources(){using (var db = new AppDbContext(this.optionsBuilder.Options)){return db.Resources.ToListAsync().ContinueWith(dataTask = >{var data = dataTask.Result;dataTask.Result.Insert(0, new Resource() { Id = 0, Name = "-" });return data.ToArray();});}}
我们可以让编译器执行“垃圾代码”，并使用关键字async和await，这可以为我们创建Task：
[Route("areas")]public async Task <Area[]> GetAreas(){using (var db = new AppDbContext(this.optionsBuilder.Options)){var data = await db.Areas.ToListAsync();data.Insert(0, new Area() { Id = 0, Name = "-" });return data.ToArray();}}
正如您在最后一种方法中看到的那样，代码更加简单，并且向我们隐藏了Task的创建，从而使我们可以异步返回。让我们想象一下一个场景，其中调用不止一个，并且这种方法如何使一切变得更加线性。
重构的作用是方法GetAreas（）已成为异步操作。这个事实意味着，当不同的请求到达此API时，分配给该请求的线程池的线程将被释放以供其他请求使用，直到DbContext终止数据提取为止。
我希望我能引起您足够的兴趣来深入分析该论点。在许多情况下，使用async和await非常方便，并且除了使代码更加简洁和线性外，还可以提高一般应用程序的性能。
示例代码见：
https：//github.com/fvastarella/Programmazione-asincrona-con-async-await
References
[1] https: https://docs.microsoft.com/en-us/ef/core/querying/async[2] //docs.microsoft.com/zh-cn/ef/core/querying/async: https://docs.microsoft.com/en-us/ef/core/querying/async
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