C#的Task详解与async/await线程ID变化情况

Task详解

Task是在ThreadPool的基础上推出的。ThreadPool中有若干数量的线程（默认是CPU核心数2倍），如果有任务需要处理时，会从线程池中获取一个空闲的线程来执行任务，任务执行完毕后线程不会销毁，而是被线程池回收以供后续任务使用。当线程池中所有的线程都在忙碌时，又有新任务要处理时，线程池才会新建一个线程来处理该任务，如果线程数量达到设置的最大值，任务会排队，等待其他任务释放线程后再执行。

ThreadPool相对于Thread来说可以减少线程的创建，有效减小系统开销；但是ThreadPool不能控制线程的执行顺序，我们也不能获取线程池内线程取消/异常/完成的通知，即我们不能有效监控和控制线程池中的线程。

.net4.0在ThreadPool的基础上推出了Task，Task拥有线程池的优点，同时也解决了使用线程池不易控制的弊端。

Task机制

Task与ThreadPool什么关系呢？简单来说，Task是基于ThreadPool实现的，当然被标记为LongRunning的Task（单独创建线程实现）除外。Task被创建后，通过TaskScheduler执行工作项的分配。TaskScheduler会把工作项存储到两类队列中：全局队列与本地队列。全局队列被设计为FIFO(先进先出)的队列。本地队列存储在线程中，被设计为LIFO.（先进后出或者后进先出）

当主程序创建了一个Task后，由于创建这个Task的线程不是线程池中的线程，则TaskScheduler 会把该Task放入全局队列中。
如果这个Task是由线程池中的线程创建，并且未设置TaskCreationOptions.PreferFairness标记（默认情况下未设置），TaskScheduler 会把该Task放入到该线程的本地队列中。如果设置了TaskCreationOptions.PreferFairness标记，则放入全局队列。

那么任务放入到两类队列中后，是如何被执行的呢？ 当线程池中的线程准备好执行更多工作时，首先查看本地队列。如果工作项在此处等待，直接通过LIFO的模式获取执行。如果没有，则向全局队列以FIFO的模式获取工作项。如果全局队列也没有工作项，则查看其他线程的本地队列是否有可执行工作项，如果存在可执行工作项，则以FIFO的模式出队执行。

Task的创建并运行（无返回值）

static void Main(string[] args)
{
    //1.new方式实例化一个Task，需要通过Start方法启动
    Task task = new Task(() =>
    {
        Thread.Sleep(100);
        Console.WriteLine($"hello, task1的线程ID为{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    });
    task.Start();

    //2.Task.Factory.StartNew(Action action)创建和启动一个Task
    Task task2 = Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        Thread.Sleep(100);
        Console.WriteLine($"hello, task2的线程ID为{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    });

    //3.Task.Run(Action action)将任务放在线程池队列，返回并启动一个Task
    Task task3 = Task.Run(() =>
    {
        Thread.Sleep(100);
        Console.WriteLine($"hello, task3的线程ID为{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    });
    Console.WriteLine("执行主线程！");
    Console.ReadKey();
}

Task的创建并运行（有返回值）

static void Main(string[] args)
{
    // 1.new方式实例化一个Task，需要通过Start方法启动
    Task<string> task1 = new Task<string>(() =>
    {
        return $"hello, task1的ID为{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}";
    });
    task.Start();

    // 2.Task.Factory.StartNew(Func func)创建和启动一个Task
    Task<string> task2 = Task.Factory.StartNew<string>(() =>
    {
        return $"hello, task2的ID为{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}";
    });

    // 3.Task.Run(Func func)将任务放在线程池队列，返回并启动一个Task
    Task<string> task3 = Task.Run<string>(() =>
    {
        return $"hello, task3的ID为{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}";
    });

    Console.WriteLine("执行主线程！");
    Console.WriteLine(task1.Result);
    Console.WriteLine(task2.Result);
    Console.WriteLine(task3.Result);
    Console.ReadKey();
}

Task的阻塞方法(Wait/WaitAll/WaitAny)

Thread的Join方法可以阻塞调用线程，但是有一些弊端，要实现很多线程的阻塞时，每个线程都要调用一次Join方法；

task.Wait() 表示等待task执行完毕，功能类似于thead.Join()
Task.WaitAll(Task[] tasks) 表示只有所有的task都执行完成了再解除阻塞
Task.WaitAny(Task[] tasks) 表示只要有一个task执行完毕就解除阻塞

static void Main(string[] args)
{
    Task task1 = new Task(() => {
        Thread.Sleep(500);
        Console.WriteLine("线程1执行完毕！");
    });
    task1.Start();
    Task task2 = new Task(() => {
        Thread.Sleep(1000);
        Console.WriteLine("线程2执行完毕！");
    });
    task2.Start();
    //阻塞主线程。task1,task2都执行完毕再执行主线程
    //执行【task1.Wait();task2.Wait();】可以实现相同功能
    Task.WaitAll(new Task[] { task1, task2 });
    Console.WriteLine("主线程执行完毕！");
    Console.ReadKey();
}
// 线程1执行完毕！
// 线程2执行完毕！
// 主线程执行完毕！

Task的延续操作(WhenAny/WhenAll/ContinueWith)

task.WhenAll(Task[] tasks) 表示所有的task都执行完毕后再去执行后续的ContinueWith中操作
task.WhenAny(Task[] tasks) 表示任一task执行完毕后就开始执行后续ContinueWith中操作
task.ContinueWith(Action action) 在运行完指定的task后继续执行后续的逻辑, 等价于GetAwaiter方法(该方法也是async await异步函数所用到的)

其他同功能的方法：

Task.Factory.ContinueWhenAll(Task[] tasks, Action continuationAction) 所有task执行完毕执行Action
Task.Factory.ContinueWhenAny(Task[] tasks, Action continuationAction) 任一task执行完毕执行Action

static void Main(string[] args)
{
    Task task1 = new Task(() => {
        Thread.Sleep(500);
        Console.WriteLine("线程1执行完毕！");
    });
    task1.Start();
    Task task2 = new Task(() => {
        Thread.Sleep(1000);
        Console.WriteLine("线程2执行完毕！");
    });
    task2.Start();
    // task1，task2执行完了后执行后续操作
    Task.WhenAll(task1, task2).ContinueWith((t) => {
        Thread.Sleep(100);
        Console.WriteLine("执行后续操作完毕！ContinueWith");
    });
    // GetAwaiter方法
    var awaiter = Task.Run(() => {
        Thread.Sleep(1500);
        Console.WriteLine("线程3执行完毕！");
    }).GetAwaiter();
    awaiter.OnCompleted(() => {
        Thread.Sleep(100);
        Console.WriteLine("执行后续操作完毕！GetAwaiter");
    });
    Console.WriteLine("主线程执行完毕！");
    Console.ReadKey();
}
// 主线程执行完毕！
// 线程1执行完毕！
// 线程2执行完毕！
// 线程3执行完毕！
// 执行后续操作完毕！ContinueWith
// 执行后续操作完毕！GetAwaiter

Task的任务取消(CancellationTokenSource)

Task中有一个专门的类 CancellationTokenSource 来取消任务执行, 其功能包括直接取消（source.Cancel()）、延迟取消（source.CancelAfter(5000)）、取消触发回调（source.Token.Register(Action action)）等等

static void Main(string[] args)
{
    CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();
    int index = 0;
    //开启一个task执行任务
    Task task1 = new Task(() =>
    {
        while (!source.IsCancellationRequested)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            Console.WriteLine($"第{++index}次执行，线程运行中...");
        }
    });
    task1.Start();
    //五秒后取消任务执行
    Thread.Sleep(5000);
    //source.Cancel()方法请求取消任务，IsCancellationRequested会变成true
    source.Cancel();
    Console.ReadKey();
}

异步async/await

async/await是C#5.0，也就是.NET Framewk 4.5时期推出的C#语法，通过与.NET Framewk 4.0时引入的任务并行库，也就是所谓的TPL(Task Parallel Library)构成了新的异步编程模型，也就是TAP(Task-based asynchronous pattern)，基于任务的异步模式

async/await 是 C# 5 引入的一种语言特性，用于简化异步编程。

net4.5的Async，抛去语法糖就是Net4.0的Task+状态机。
net4.0的Task，退化到3.5即是(Thread、ThreadPool)+实现的等待、取消等API操作

在使用 async/await 进行异步编程时，需要注意以下几点：

async 方法必须返回void 或 Task 或 Task<T>，其中 T 是返回结果的类型。void(不需要返回任何结果时), Task(返回一个表示异步操作的任务时), Task(当异步方法需要返回异步操作的结果时)。
使用 await 操作符等待异步操作完成。await 表示当前方法的执行会被挂起，直到异步操作完成后再继续执行。
await 操作符只能在 async 方法中使用。
如果异步操作抛出异常，可以在 async 方法中使用 try/catch 块来处理异常。

private async Task Test_one_async() //这是一个无返回值的异步方法
private async Task<string> Test_two_async() //这是一个返回值类类型是string的异步方法
private async void Test_two_async() //这是一个异步事件处理程序

在 C# 中，async/await 的原理是使用状态机实现。编译器会将 async 方法编译成一个状态机，其中每个 await 表达式会生成一个状态。当 await 表达式执行时，状态机会保存当前方法的上下文，并将执行权返回给调用方。当异步操作完成后，状态机会恢复上下文，并从上一次暂停的地方继续执行。

async/await的运行机理

反编译后我们可以看到async/await的运作机理主要分为分异步状态机和等待器，现在我主要来讲解着两部分的运行机制。

异步状态机

异步状态机始状态是-1
运行第一个【等待器】期间异步状态机的状态是0
第一个【等待器】完成后异步状态机状态恢复-1
运行等二个【等待器】期间异步状态机的状态是1，后面【等待器】以此类推
当所有的等待器都完成后，异步状态机的状态为-2

等待器

TaskAwaiter等待器

ConfiguredTaskAwaiter等待器

StateMachineBoxAwareAwaiter等待器

为什么带async签名的方法返回值一定是void、Task、Task

因为它们是可以等待的，而void不是。因此，如果您有一个异步方法返回 Task<T> 或 Task，则可以将结果传递给等待。使用void方法，您无需等待任何东西。

当您具有异步事件处理程序时，必须返回 void。

async/await的线程ID变化情况

问：async/await会创建新线程吗？

在大多数情况下，异步操作并不会创建新的线程，而是通过利用I/O完成端口或其他异步机制来实现异步操作。这样可以避免创建额外的线程，提高程序的性能和资源利用率。但是如果使用Task.Run等方法来包装一个同步的阻塞操作，那么它可能会在新的线程上执行。

问：异步方法会暂时挂起,是什么意思？

在遇到类似await Task.Delay(100)时，异步方法会暂时挂起，并让出当前线程的控制权。这里的挂起并不是指线程被挂起或阻塞，而是指异步方法暂时停止执行，并将控制权返回给调用它的线程（主线程）。

在挂起期间，异步方法不会占用线程资源，而是让线程可以执行其他任务。这样可以提高程序的并发性和资源利用率。一旦延时任务完成，异步方法会被唤醒，并继续执行后续的代码。

具体来说，当异步方法遇到await Task.Delay(100)时，它会将延时任务交给.NET运行时的任务调度器（Task Scheduler）管理。任务调度器会将延时任务放入等待队列中，并继续执行其他任务。完成任务后，任务调度器会将延时任务标记为完成，并将其添加到就绪队列中。当调度器调度到该任务时，它会通知异步方法继续执行。具体是由哪个线程执行, 取决于任务调度器算法, 可能是之前线程也可能是新线程。

总之，异步方法的挂起并不是线程的挂起或阻塞，而是暂时停止执行，并让出当前线程的控制权。在挂起期间，线程可以执行其他任务。

问：遇到await时主线程在做啥

当遇到await关键字时，主线程会暂时挂起（挂起点），这并不会阻塞主线程的执行，而是让出当前线程的控制权，允许主线程去执行其他任务。

同时，await关键字会将异步操作交给任务调度器来管理。任务调度器会根据当前的线程池状态和调度策略，将异步操作分配给适当的线程执行。

当异步操作完成后，任务调度器会通知异步方法继续执行。这时，可能会发生线程切换，执行剩下的代码的线程可能是之前执行异步操作的线程，也可能是其他线程。

问: await完成后，主线程的ID可能会改变

是的, 因为是由任务调度器来管理线程的。具体来说，任务调度器会选择一个可用的线程（可能是之前执行异步操作的线程，也可能是其他线程），并将执行权转移给该线程。这样，异步方法就可以继续执行await之后的代码。

C#的task与golang协程对比

C# 的 Task 机制使用了线程池来管理任务的执行，通过TaskScheduler可以高效地重用线程，避免频繁创建和销毁线程的开销。这意味着在使用 Task 时，不需要为每个任务创建一个新线程，而是可以共享线程池中的线程，从而减少了线程创建和销毁的开销。然而，由于线程的调度和切换仍然需要操作系统的支持，因此会有一定的开销。

相比之下，Golang 的协程机制使用了 M:N 调度模型，它可以将多个协程映射到少量的操作系统线程上，并在这些线程之间动态地进行调度。Golang 的协程非常轻量级，可以创建成千上万个协程而不会造成太大的开销。协程的调度和切换是由 Golang 的运行时系统自己控制的，因此不存在操作系统线程调度的开销。

在开销方面，Go 的 Goroutine 通常具有更小的启动和上下文切换开销，以及更少的资源占用。这主要是因为 Go 的 Goroutine 是轻量级的，而 C# 的 Task 是基于线程的。然而，C# 的 Task 具有类型安全和丰富的 API 支持等优点。

同时创建一万个task或者协程，在其内部是怎么处理的？

c#创建大量Task时，需要注意避免线程资源的过度消耗和上下文切换的开销。为此，C#提供了async和await关键字以及ConfigureAwait(false)方法来帮助优化异步操作的管理，通过合理使用async和await，避免线程阻塞后，可以减少不必要的同步上下文切换和资源占用。

class Program  
{  
    static async Task Main(string[] args)  
    {  
        for (int i = 0; i < 10000; i++)  
        {  
            await Task.Run(() =>  
            {
                Console.WriteLine($"Task {i} is running on thread {Task.CurrentId}"); // 任务执行的代码  
            });  
        }  
    }  
}

创建大量Goroutine时，Go运行时会根据系统的能力和并发模型来自动管理和调度。你不需要显式地管理线程或上下文切换，Go运行时会为你处理这些细节。

func main() {  
    for i := 0; i < 10000; i++ {  
        go func(i int) {  
            fmt.Printf("Goroutine %d is running\n", i)  
        }(i)  
    }  
}

使用大量 Task 时最佳实践：

使用异步方法：在创建 Task 的同时，使用异步方法来执行任务(async await)。这样可以避免阻塞主线程，提高应用程序的响应性能。
设置最大并发级别：通过设置 TaskScheduler.MaximumConcurrencyLevel 属性，限制同时执行的任务数量，以避免资源竞争和过度并发导致的性能下降。
使用 Task.WhenAll 方法：当你需要等待所有任务完成时，可以使用 Task.WhenAll 方法来等待多个任务同时完成。这样可以提高整体的执行效率。
使用 Task.Factory.StartNew 方法创建任务：Task.Factory.StartNew 方法可以方便地创建任务，并指定任务执行的方式和调度器。可以使用该方法创建并发执行的任务。
错误处理与取消操作：在使用大量的 Task 时，需要考虑错误处理和取消操作。可以使用 try-catch 块捕获异常，并使用 CancellationTokenSource 来取消任务。
考虑任务优先级：如果有任务之间存在优先级关系，可以使用 TaskCreationOptions 枚举中的 TaskCreationOptions.LongRunning 选项来指定任务的优先级。
考虑任务调度器：根据具体的场景和需求，可以使用不同的 TaskScheduler 来进行任务调度，例如 ThreadPoolTaskScheduler 或自定义的任务调度器。
避免过度创建任务：在创建大量任务时，需要考虑任务的数量和资源的限制。避免过度创建任务导致资源耗尽或性能下降。
使用并行 LINQ：如果任务是对集合进行并行处理，可以考虑使用并行 LINQ（PLINQ）来简化代码，并实现自动的并行执行。
对任务进行监控和性能优化：使用一些性能分析工具和监控工具，对任务的执行情况进行监控和性能优化，以提高整体的执行效率。

System.Threading.Tasks.TaskScheduler类

从字面意思理解就是任务调度器，即将任务排队到线程中执行的管理器。并且能控制最大的并行任务数量。其本身是一个抽象类，其官方实现的类有如下几个：

线程池任务调度器：ThreadPoolTaskScheduler是Task默认任务调度器。
核心库任务调度器：ConcurrentExclusiveSchedulerPair 这里Concurrent是“并发”的意思，Exclusive是“独占”的意思。
UI任务调度器：SynchronizationContextTaskScheduler，并发度为1。
自定义TaskScheduler：可实现更为细致和任意的任务调度算法。

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深入探讨 C# 和 .NET 中 async/await 的历史、背后的设计决策和实现细节
 官方文档：TaskScheduler类

最后更新于 2024-01-28 23:48:58 并被添加「」标签，已有 363 位童鞋阅读过。

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沉迷于学习，无法自拔^_^