.NET中同步异步多线程究竟是什么关系？

Posted 2021-04-01 DotNET技术圈

前几天一位朋友去面试，面试官问了他同步，异步，多线程之间是什么关系，异步比同步高效在哪？多线程比单线程高效在哪？由于回答的不好，让我帮他捋一下，其实回答这个问题不难，难就难在只对别人说理论，而没有现杀的例子。

一：异步

1. 到底解放了谁？

<1 style="box-sizing: border-box;"> 从基础的同步说起

要说解放了谁，一定得有几个参与者，举个例子：当你的主线程读取一个应用程序之外的资源时，它有可能是一个文件，又有可能是一个外部服务，当用同步方式读取外部服务时，首先主线程会从用户模式进入到内核模式，在内核模式中windows会将你的请求数据交给对应的网络驱动程序，继后会让这个线程进入休眠状态，当网络驱动程序和外部服务一阵痉挛之后，网络驱动程序会将获取到的结果交给当初休眠的线程，windows唤醒休眠线程继而执行后续的C#代码，画个简图理解一下，不一定全对。

这里就存在着一个非常大的问题，步骤4-步骤7之间，你的主线程一直都是休眠状态，比如在GUI编程中，有一个重要的原则就是解放你的UI线程（主线程），所以解决这个问题就迫在眉睫。

<2 style="box-sizing: border-box;"> 异步方式下的处理方案

说到这里，大家应该知道了异步方式就是为了解放主线程，又可以叫调用线程，没错，接下来看一下同样的场景在异步中如何处理的。

从图中可以看到，步骤三中将thread数据交给网络驱动程序之后，该thread就直接返回不管了，当后续网络驱动程序获取数据后，将数据丢给CLR线程池中的IO线程再由它触发你的回调函数。

<3 style="box-sizing: border-box;"> 总结

异步相比同步效率高就高在解放了调用线程，在驱动程序和远程服务RoundTrip期间，调用线程还可以执行其他工作，放在GUI上就是主线程可以继续响应用户的超敏操作。

由于没有空转的线程，CPU可以得到最满载的运转，更少的线程就有更少的线程栈空间，更少的GC回收时间和上下文切换。

2. 代码演示

还是那句话，光说可不行，你得上一点代码看看，有了上面的理论基础，这里我就模拟爬取下博客园首页的所有文章的用户头像。

<1 style="box-sizing: border-box;"> 同步代码

        public static void Main(string[] args)
 {
            SingleThreadDownloadImages();
            Console.WriteLine("主线程继续执行其他的咯~~~");
            Console.Read();
        }

        public static void SingleThreadDownloadImages()
 {
            using (var client = new HttpClient())
            {
                //调用线程 空转等待。。。
                var content = client.GetStringAsync("http://cnblogs.com").Result;
                var html = new HtmlDocument();
                html.LoadHtml(content);

                var imgsrcList = html.DocumentNode.QuerySelectorAll("img.pfs").Select(m => m.Attributes["src"].Value)
                                                  .ToList();

                Console.WriteLine($"准备下载:{imgsrcList.Count}个...");

                for (int i = 0; i < imgsrcList.Count; i++)
                {
                    //调用线程 空转等待。。。
                    var stream = client.GetStreamAsync(imgsrcList[i]).Result;

                    Image.FromStream(stream).Save($@"C:\2\{i}.jpg");
                }
            }
            Console.WriteLine("SingleThreadDownloadImages 执行结束");
        }

------ output ------

准备下载:19个...
SingleThreadDownloadImages 执行结束
主线程继续执行其他的咯~~~

<2 style="box-sizing: border-box;"> 异步代码

        public static void Main(string[] args)
 {
            AsyncDownloadImages();
            Console.WriteLine("主线程继续执行其他的咯~~~");
            Console.Read();
        }

        public static async void AsyncDownloadImages()
 {
            using (var client = new HttpClient())
            {
                var content = await client.GetStringAsync("http://cnblogs.com");
                var html = new HtmlDocument();
                html.LoadHtml(content);

                var imgsrcList = html.DocumentNode.QuerySelectorAll("img.pfs").Select(m => m.Attributes["src"].Value)
                                                  .ToList();

                Console.WriteLine($"准备下载:{imgsrcList.Count}个...");

                for (int i = 0; i < imgsrcList.Count; i++)
                {
                    var stream = await client.GetStreamAsync(imgsrcList[i]);
                    Image.FromStream(stream).Save($@"C:\2\{i}.jpg");
                }

                Console.WriteLine("AsyncDownloadImages 执行结束");
            }
        }

------ output ------

主线程继续执行其他的咯~~~
准备下载:19个...
AsyncDownloadImages 执行结束

从结果可以看出，异步在获取图片期间，主线程还可以做其他事情，这就是异步最大的特点。

3. windbg 提取是否真为线程池io线程

其实在图2中我口口声声的说是线程池中的IO线程回调了你的函数，大家先要明白一个概念，线程池中有两种类别的线程，一个是工作线程，一个是IO线程，而工作线程常常就是我们通过代码进行操控，IO线程通常由底层CLR接管，常常用于处理外部资源的操作，如下ThreadPool的GetMaxThreads方法。

    public static void GetMaxThreads(out int workerThreads, out int completionPortThreads);

有了这个基础，再将 AsyncDownloadImages方法修改如下，抓取一下dump文件

                var content = await client.GetStringAsync("http://cnblogs.com");
                Console.WriteLine($"已获取到:{content.Length}个字符");
                Console.ReadLine();

~*e !clrstack 查看所有托管线程的调用堆栈

0:000>  ~*e    !clrstack
OS Thread Id: 0x62d8 (13)
        Child SP               IP Call Site
000000da9b1fd1e8 00007ff9fc7bb4f4 [GCFrame: 000000da9b1fd1e8] 
000000da9b1fd308 00007ff9fc7bb4f4 [GCFrame: 000000da9b1fd308] 
000000da9b1fd368 00007ff9fc7bb4f4 [HelperMethodFrame_1OBJ: 000000da9b1fd368] System.Threading.Monitor.Enter(System.Object)
000000da9b1fd460 00007ff9e42f8aff System.IO.TextReader+SyncTextReader.ReadLine()
000000da9b1fd4c0 00007ff9e40f0d98 System.Console.ReadLine()
000000da9b1fd4f0 00007ff985c81559 ConsoleApp2.Program+d__3.MoveNext() [C:\dream\Csharp\ConsoleApp1\ConsoleApp2\Program.cs @ 93]
000000da9b1fd690 00007ff9e388cef2 System.Threading.ExecutionContext.RunInternal(System.Threading.ExecutionContext, System.Threading.ContextCallback, System.Object, Boolean)
000000da9b1fd760 00007ff9e388cd75 System.Threading.ExecutionContext.Run(System.Threading.ExecutionContext, System.Threading.ContextCallback, System.Object, Boolean)
000000da9b1fd790 00007ff9e38fbe2f System.Runtime.CompilerServices.AsyncMethodBuilderCore+MoveNextRunner.Run()
000000da9b1fd7e0 00007ff9e3901343 System.Threading.Tasks.AwaitTaskContinuation.RunOrScheduleAction(System.Action, Boolean, System.Threading.Tasks.Task ByRef)
000000da9b1fd830 00007ff9e3865f40 System.Threading.Tasks.Task.FinishContinuations()
000000da9b1fd8c0 00007ff9e3865a88 System.Threading.Tasks.Task`1[[System.__Canon, mscorlib]].TrySetResult(System.__Canon)
000000da9b1fd900 00007ff9e3865a05 System.Threading.Tasks.TaskCompletionSource`1[[System.__Canon, mscorlib]].TrySetResult(System.__Canon)
000000da9b1fd940 00007ff9c88311a3 System.Net.Http.HttpClient+c__DisplayClass31_0`1[[System.__Canon, mscorlib]].b__1(System.Threading.Tasks.Task`1)
000000da9b1fd990 00007ff9e38f9d47 System.Threading.Tasks.Task.Execute()
000000da9b1fd9d0 00007ff9e388cef2 System.Threading.ExecutionContext.RunInternal(System.Threading.ExecutionContext, System.Threading.ContextCallback, System.Object, Boolean)
000000da9b1fdaa0 00007ff9e388cd75 System.Threading.ExecutionContext.Run(System.Threading.ExecutionContext, System.Threading.ContextCallback, System.Object, Boolean)
000000da9b1fdad0 00007ff9e38fa001 System.Threading.Tasks.Task.ExecuteWithThreadLocal(System.Threading.Tasks.Task ByRef)
000000da9b1fdb80 00007ff9e38f96e1 System.Threading.Tasks.Task.ExecuteEntry(Boolean)

!threads 查看编号13的线程类型

0:013> !threads
ThreadCount:      8
UnstartedThread:  0
BackgroundThread: 5
PendingThread:    0
DeadThread:       2
Hosted Runtime: no
                                                                                                        Lock  
       ID OSID ThreadOBJ State GC Mode GC Alloc Context Domain Count Apt Exception
   0    1 5754 000001e2be060f80 2a020 Preemptive 000001E2BFD19868:000001E2BFD19FD0 000001e2be053bb0 1 MTA
   6    2 65e0 000001e2be08bd00 2b220 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 000001e2be053bb0 0 MTA (Finalizer)
   9    3 25c 000001e2d8435ef0 102a220 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 000001e2be053bb0 0 MTA (Threadpool Worker)
XXXX    4 0 000001e2d845ea30 1039820 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 000001e2be053bb0 0 Ukn (Threadpool Worker)
  12    6 23fc 000001e2d8469ea0 202b220 Preemptive 000001E2BFD1E188:000001E2BFD1FFD0 000001e2be053bb0 1 MTA
  13    7 62d8 000001e2d8475e20 a029220 Preemptive 000001E2BFD9D588:000001E2BFD9F250 000001e2be053bb0 0 MTA (Threadpool Completion Port)
XXXX    8 0 000001e2d847a0b0 8039820 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 000001e2be053bb0 0 Ukn (Threadpool Completion Port)
  14    9 6e4 000001e2d847de70 8029220 Preemptive 000001E2BFD80D88:000001E2BFD81F10 000001e2be053bb0 0 MTA (Threadpool Completion Port)

其中的 13 7 62d8 000001e2d8475e20 a029220 Preemptive 000001E2BFD9D588:000001E2BFD9F250 000001e2be053bb0 0 MTA (Threadpool Completion Port) 可以明显的看到是 Threadpool Completion Port，没有骗你吧，