浅谈.Net异步编程的前世今生----APM篇

Posted 2021-12-04 dotNET跨平台

前言

在.Net程序开发过程中，我们经常会遇到如下场景：

编写WinForm程序客户端，需要查询数据库获取数据，于是我们根据需求写好了代码后，点击查询，发现界面卡死，无法响应。经过调试，发现查询数据库这一步执行了很久，在此过程中，UI被阻塞，无法响应任何操作。

如何解决此问题？我们需要分析问题成因：在WinForm窗体运行时，只有一个主线程，即为UI线程，UI线程在此过程中既负责渲染界面，又负责查询数据，因此在大量耗时的操作中，UI线程无法及时响应导致出现问题。此时我们需要将耗时操作放入异步操作，使主线程继续响应用户的操作，这样可以大大提升用户体验。

直接编写异步编程也许不是一件轻松的事，和同步编程不同的是，异步代码并不是始终按照写好的步骤执行，且如何在异步执行完通知前序步骤也是其中一个问题，因此会带来一系列的考验。

幸运的是，在.Net Framework中，提供了多种异步编程模型以及相关的API，这些模型的存在使得编写异步程序变得容易上手。随着Framework的不断升级，相应的模型也在不断改进，下面我们一起来回顾一下.Net异步编程的前世今生。

第一个异步编程模型：APM

概述

APM，全称Asynchronous Programing Model，顾名思义，它即为异步编程模型，最早出现于.Net Framework 1.x中。

它使用IAsyncResult设计模式的异步操作，一般由BeginOperationName和EndOperationName两个方法实现，这两个方法分别用于开始和结束异步操作，例如FileStream类中提供了BeginRead和EndRead来对文件进行异步字节读取操作。

使用

在程序运行过程中，直接调用BeginOperationName后，会将所包含的方法放入异步操作，并返回一个IAsyncResult结果，同时异步操作在另外一个线程中执行。

每次在调用BeginOperationName方法后，还应调用EndOperationName方法，来获取异步执行的结果，下面我们一起来看一个示例：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;


namespace APMTest
{
    class Program
    {
        public delegate void ConsoleDelegate();


        static void Main(string[] args)
        {
            ConsoleDelegate consoleDelegate = new ConsoleDelegate(ConsoleToUI);
            Thread.CurrentThread.Name = "主线程Thread";
            IAsyncResult ar = consoleDelegate.BeginInvoke(null, null);
            consoleDelegate.EndInvoke(ar);
            Console.WriteLine("我是同步输出，我的名字是：" + Thread.CurrentThread.Name);
            Console.Read();
        }


        public static void ConsoleToUI()
        {
            if (Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread)
            {
                Thread.CurrentThread.Name = "线程池Thread";
            }
            else
            {
                Thread.CurrentThread.Name = "普通Thread";
            }
            Thread.Sleep(3000); //模拟耗时操作
            Console.WriteLine("我是异步输出，我的名字是：" + Thread.CurrentThread.Name);
        }
    }
}

在这段示例中，我们定义了一个委托来使用其BeginInvoke/EndInvoke方法用于我们自定义方法的异步执行，同时将线程名称打印出来，用于区分主线程与异步线程。

如代码中所示，在调用BeginInvoke之后，立即调用了EndInvoke获取结果，那么会发生什么呢？

如下图所示：

看到这里大家也许会比较诧异：为什么同步操作会在异步操作之后输出呢？这样不是和同步就一样了吗？

原因是这样的：EndInvoke方法会阻塞调用线程，直到异步调用结束，由于我们在异步操作中模拟了3s耗时操作，所以它会一直等待到3s结束后输出异步信息，此时才完成了异步操作，进而进行下一步的同步操作。

同时在BeginInvoke返回的IAynscResult中，包含如下属性：

通过轮询IsCompleted属性或使用AsyncWaitHandle属性，均可以获取异步操作是否完成，从而进行下一步操作，相关代码如下所示：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;


namespace APMTest
{
    class Program
    {
        public delegate void ConsoleDelegate();


        static void Main(string[] args)
        {
            ConsoleDelegate consoleDelegate = new ConsoleDelegate(ConsoleToUI);
            Thread.CurrentThread.Name = "主线程Thread";
            IAsyncResult ar = consoleDelegate.BeginInvoke(null, null);
            //此处改为了轮询IsCompleted属性，AsyncWaitHandle属性同理
            while (!ar.IsCompleted)
            {
                Console.WriteLine("等待执行...");
            }
            consoleDelegate.EndInvoke(ar);
            Console.WriteLine("我是同步输出，我的名字是：" + Thread.CurrentThread.Name);
            Console.Read();
        }


        public static void ConsoleToUI()
        {
            if (Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread)
            {
                Thread.CurrentThread.Name = "线程池Thread";
            }
            else
            {
                Thread.CurrentThread.Name = "普通Thread";
            }
            Thread.Sleep(3000); //模拟耗时操作
            Console.WriteLine("我是异步输出，我的名字是：" + Thread.CurrentThread.Name);
        }
    }
}

运行后结果如下：

可以发现，在轮询属性时，程序仍然会等待异步操作完成，进而进行下一步的同步输出，无法达到我们需要的效果，那么究竟有没有办法解决呢？

此时我们需要引入一个新方法：使用回调。

在之前的操作中，使用BeginInvoke方法，两个参数总是传入的为null。若要使用回调机制，则需传入一个类型为AsyncCallback的回调函数，并在最后一个参数中，传入需要使用的参数，如以下代码所示：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;


namespace APMTest
{
    class Program
    {
        public delegate void ConsoleDelegate();


        static void Main(string[] args)
        {
            ConsoleDelegate consoleDelegate = new ConsoleDelegate(ConsoleToUI);
            Thread.CurrentThread.Name = "主线程Thread";
            //此处传入AsyncCallback类型的回调函数，并传入需要使用的参数
            consoleDelegate.BeginInvoke(CallBack, consoleDelegate);
            //IAsyncResult ar = consoleDelegate.BeginInvoke(null, null);
            此处改为了轮询IsCompleted属性，AsyncWaitHandle属性同理
            //while (!ar.IsCompleted)
            //{
            //    Console.WriteLine("等待执行...");
            //}
            //consoleDelegate.EndInvoke(ar);
            Console.WriteLine("我是同步输出，我的名字是：" + Thread.CurrentThread.Name);
            Console.Read();
        }


        public static void ConsoleToUI()
        {
            if (Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread)
            {
                Thread.CurrentThread.Name = "线程池Thread";
            }
            else
            {
                Thread.CurrentThread.Name = "普通Thread";
            }
            Thread.Sleep(3000); //模拟耗时操作
            Console.WriteLine("我是异步输出，我的名字是：" + Thread.CurrentThread.Name);
        }


        public static void CallBack(IAsyncResult ar)
        {
            //使用IAsyncResult的AsyncState获取BeginInvoke中的参数，并用于执行EndInvoke
            ConsoleDelegate callBackDelegate = ar.AsyncState as ConsoleDelegate;
            callBackDelegate.EndInvoke(ar);
        }
    }
}

运行后结果如下：

此时可以看出，使用回调的方式已经实现了我们需要的效果。在同步执行时，将耗时操作放入异步操作，从而不影响同步操作的继续执行，在异步操作完成后，回调返回相应的结果。

小结

APM模型的引入，使得编写异步程序变的如此简单，只需定义委托，将要执行的方法包含其中，并调用Begin/End方法对，即可实现异步编程。在一些基础类库中，也已经提供了异步操作的方法，直接调用即可。

同时我们可以看到，BeginInvoke方法，实际上是调用了线程池中的线程进行操作，因此APM模型也应属于多线程程序，同时包含主线程与线程池线程。

但是APM模型也存在一些缺点：

• 若不使用回调机制，则需等待异步操作完成后才能继续执行，此时未达到异步操作的效果。

• 在异步操作的过程中，无法取消，也无法得知操作进度。

• 若编写GUI程序，异步操作内容与主线程未在同一线程，操作控件时会引起线程安全问题。

为了解决这些缺陷，微软推出了其他的异步模式，预知后事如何，且听下回分解。

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