async、await是如何简化了C#中多线程的开发过程

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2020-08-06 22:23



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 });}

TaskResult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asyncawait,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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