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《C#并发编程经典实例》笔记

2024-09-13 19:19:24 216人阅读

1.前言
2.开宗明义
3.开发原则和要点
- （1）并发编程概述
- （2）异步编程基础
- （3）并行开发的基础
- （4）测试技巧
- （5）集合
- （6）函数式OOP
- （7）同步

1.前言

最近趁着项目的一段平稳期研读了不少书籍，其中《C#并发编程经典实例》给我的印象还是比较深刻的。当然，这可能是由于近段日子看的书大多嘴炮大于实际，如《Head First设计模式》《Cracking the coding interview》等，所以陡然见到一本打着“实例”旗号的书籍，还是挺让我觉得耳目一新。本着分享和加深理解的目的，我特地整理了一些笔记（主要是Web开发中容易涉及的内容，所以部分章节如数据流，RX等我看了看就直接跳过了），以供审阅学习。语言和技术的魅力，真是不可捉摸

2.开宗明义

一直以来都有一种观点是实现底层架构，编写驱动和引擎，或者是框架和工具开发的才是高级开发人员，做上层应用的人仅仅是“码农”，其实能够利用好平台提供的相关类库，而不是全部采用底层技术自己实现，开发出高质量，稳定的应用程序，对技术能力的考验并不低于开发底层库，如TPL，async，await等。

3.开发原则和要点

（1）并发编程概述

并发：同时做多件事情
多线程：并发的一种形式，它采用多个线程来执行程序
并行处理：把正在执行的大量的任务分割成小块，分配给多个同时运行的线程
并行处理是多线程的一种，而多线程是并发的一种处理形式
异步编程：并发的一种形式，它采用future模式或者callback机制，以避免产生不必要的线程
异步编程的核心理念是异步操作：启动了的操作会在一段时间后完成。这个操作正在执行时，不会阻塞原来的线程。启动了这个操作的线程，可以继续执行其他任务。当操作完成后，会通知它的future，或者调用回调函数，以便让程序知道操作已经结束
await关键字的作用：启动一个将会被执行的Task（该Task将在新线程中运行），并立即返回，所以await所在的函数不会被阻塞。当Task完成后，继续执行await后面的代码
响应式编程：并发的一种基于声明的编程方式，程序在该模式中对事件作出反应
不要用 void 作为 async 方法的返回类型！ async 方法可以返回 void，但是这仅限于编写事件处理程序。一个普通的 async 方法如果没有返回值，要返回 Task，而不是 void
async 方法在开始时以同步方式执行。在 async 方法内部，await 关键字对它的参数执行一个异步等待。它首先检查操作是否已经完成，如果完成了，就继续运行（同步方式）。否则，它会暂停 async 方法，并返回，留下一个未完成的 task。一段时间后，操作完成，async 方法就恢复运行。
await代码中抛出异常后，异常会沿着Task方向前进到引用处
你一旦在代码中使用了异步，最好一直使用。调用异步方法时，应该（在调用结束时）用 await 等待它返回的 task 对象。一定要避免使用 Task.Wait 或 Task.Result 方法，因为它们会导致死锁
线程是一个独立的运行单元，每个进程内部有多个线程，每个线程可以各自同时执行指令。每个线程有自己独立的栈，但是与进程内的其他线程共享内存
每个.NET应用程序都维护着一个线程池，这种情况下，应用程序几乎不需要自行创建新的线程。你若要为 COM interop 程序创建 SAT 线程，就得创建线程，这是唯一需要线程的情况
线程是低级别的抽象，线程池是稍微高级一点的抽象
并发编程用到的集合有两类：并发变成+不可变集合
大多数并发编程技术都有一个类似点：它们本质上都是函数式的。这里的函数式是作为一种基于函数组合的编程模式。函数式的一个编程原则是简洁（避免副作用），另一个是不变性（指一段数据不能被修改)
.NET 4.0 引入了并行任务库（TPL），完全支持数据并行和任务并行。但是一些资源较少的平台（例如手机），通常不支持 TPL。TPL 是 .NET 框架自带的

（2）异步编程基础

指数退避是一种重试策略，重试的延迟时间会逐次增加。在访问 Web 服务时，最好的方式就是采用指数退避，它可以防止服务器被太多的重试阻塞

static async Task<string> DownloadStringWithRetries(string uri)
{
    using (var client = new HttpClient())
    {
        // 第 1 次重试前等 1 秒，第 2 次等 2 秒，第 3 次等 4 秒。
        var nextDelay = TimeSpan.FromSeconds(1);
        for (int i = 0; i != 3; ++i)
        {
            try
            {
                return await client.GetStringAsync(uri);
            }
            catch
            { }

            await Task.Delay(nextDelay);
            nextDelay = nextDelay + nextDelay;
        }
        
        // 最后重试一次，以便让调用者知道出错信息。
        return await client.GetStringAsync(uri);
    }
}

Task.Delay 适合用于对异步代码进行单元测试或者实现重试逻辑。要实现超时功能的话，最好使用 CancellationToken
如何实现一个具有异步签名的同步方法。如果从异步接口或基类继承代码，但希望用同步的方法来实现它，就会出现这种情况。解决办法是可以使用 Task.FromResult 方法创建并返回一个新的 Task 对象，这个 Task 对象是已经完成的，并有指定的值
使用 IProgress 和 Progress 类型。编写的 async 方法需要有 IProgress 参数，其中 T 是需要报告的进度类型，可以展示操作的进度
Task.WhenALl可以等待所有任务完成，而当每个Task抛出异常时，可以选择性捕获异常
Task.WhenAny可以等待任一任务完成，使用它虽然可以完成超时任务（其中一个Task设为Task.Delay），但是显然用专门的带有取消标志的超时函数处理比较好
第一章提到async和上下文的问题：在默认情况下，一个 async 方法在被 await 调用后恢复运行时，会在原来的上下文中运行。而加上扩展方法ConfigureAwait(false)后，则会在await之后丢弃上下文

（3）并行开发的基础

Parallel 类有一个简单的成员 Invoke，可用于需要并行调用一批方法，并且这些方法（大部分）是互相独立的

static void ProcessArray(double[] array)
{
    Parallel.Invoke(
    () => ProcessPartialArray(array, 0, array.Length / 2),
    () => ProcessPartialArray(array, array.Length / 2,array.Length));
}

static void ProcessPartialArray(double[] array, int begin, int end)
{
    // 计算密集型的处理过程 ...  
}

在并发编程中，Task类有两个作用：作为并行任务，或作为异步任务。并行任务可以使用阻塞的成员函数，例如 Task.Wait、Task.Result、Task.WaitAll 和 Task.WaitAny。并行任务通常也使用 AttachedToParent 来建立任务之间的“父 / 子”关系。并行任务的创建需要用 Task.Run 或者 Task.Factory.StartNew。
相反的，异步任务应该避免使用阻塞的成员函数，而应该使用 await、Task.WhenAll 和 Task. WhenAny。异步任务不使用 AttachedToParent，但可以通过 await 另一个任务，建立一种隐式的“父 / 子”关系。

（4）测试技巧

MSTest从Visual Studio2012 版本开始支持 async Task 类型的单元测试
如果单元测试框架不支持 async Task 类型的单元测试，就需要做一些额外的修改才能等待异步操作。其中一种做法是使用 Task.Wait，并在有错误时拆开 AggregateException 对象。我的建议是使用 NuGet 包 Nito.AsyncEx 中的 AsyncContext 类

这里附上一个ABP中实现的可操作AsyncHelper类，就是基于AsyncContext实现

    /// <summary>
    /// Provides some helper methods to work with async methods.
    /// </summary>
    public static class AsyncHelper
    {
        /// <summary>
        /// Checks if given method is an async method.
        /// </summary>
        /// <param name="method">A method to check</param>
        public static bool IsAsyncMethod(MethodInfo method)
        {
            return (
                method.ReturnType == typeof(Task) ||
                (method.ReturnType.IsGenericType && method.ReturnType.GetGenericTypeDefinition() == typeof(Task<>))
                );
        }

        /// <summary>
        /// Runs a async method synchronously.
        /// </summary>
        /// <param name="func">A function that returns a result</param>
        /// <typeparam name="TResult">Result type</typeparam>
        /// <returns>Result of the async operation</returns>
        public static TResult RunSync<TResult>(Func<Task<TResult>> func)
        {
            return AsyncContext.Run(func);
        }

        /// <summary>
        /// Runs a async method synchronously.
        /// </summary>
        /// <param name="action">An async action</param>
        public static void RunSync(Func<Task> action)
        {
            AsyncContext.Run(action);
        }
    }

在 async 代码中，关键准则之一就是避免使用 async void。我非常建议大家在对 async void 方法做单元测试时进行代码重构，而不是使用 AsyncContext。

（5）集合

线程安全集合是可同时被多个线程修改的可变集合。线程安全集合混合使用了细粒度锁定和无锁技术，以确保线程被阻塞的时间最短（通常情况下是根本不阻塞）。对很多线程安全集合进行枚举操作时，内部创建了该集合的一个快照（snapshot），并对这个快照进行枚举操作。线程安全集合的主要优点是多个线程可以安全地对其进行访问，而代码只会被阻塞很短的时间，或根本不阻塞
ConcurrentDictionary<tkey, tvalue="">是数据结构中的精品，它是线程安全的，混合使用了细粒度锁定和无锁技术，以确保绝大多数情况下能进行快速访问.
ConcurrentDictionary<tkey, tvalue=""> 内置了AddOrUpdate, TryRemove, TryGetValue等方法。如果多个线程读写一个共享集合，使用ConcurrentDictionary<tkey, tvalue="">是最合适的，如果不会频繁修改，那就更适合使用ImmutableDictionary<tkey, tvalue="">。而如果是一些线程只添加元素，一些线程只移除元素，最好使用生产者/消费者集合

（6）函数式OOP

异步编程是函数式的（functional），.NET 引入的async让开发者进行异步编程的时候也能用过程式编程的思维来进行思考，但是在内部实现上，异步编程仍然是函数式的

伟人说过，世界既是过程式的，也是函数式的，但是终究是函数式的
可以用await等待的是一个类（如Task对象），而不是一个方法。可以用await等待某个方法返回的Task，无论它是不是async方法。
类的构造函数里是不能进行异步操作的，一般可以使用如下方法。相应的，我们可以通过var instance=new Program.CreateAsync();

    class Program
    {
        private Program()
        {

        }

        private async Task<Program> InitializeAsync()
        {
            await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(1));

            return this;
        }

        public static Task<Program> CreateAsync()
        {
            var result = new Program();

            return result.InitializeAsync();
        }

    }

在编写异步事件处理器时，事件参数类最好是线程安全的。要做到这点，最简单的办法就是让它成为不可变的（即把所有的属性都设为只读）

（7）同步

同步的类型主要有两种：通信和数据保护
如果下面三个条件都满足，就需要用同步来保护共享的数据

多段代码正在并发运行
这几段代码在访问（读或写）同一个数据
至少有一段代码在修改（写）数据

观察以下代码，确定其同步和运行状态

class SharedData
{
    public int Value { get; set; }
}

async Task ModifyValueAsync(SharedData data)
{
    await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(1));
    data.Value = http://www.mamicode.com/data.Value + 1;
}

// 警告：可能需要同步，见下面的讨论。
async Task<int> ModifyValueConcurrentlyAsync()
{
    var data = http://www.mamicode.com/new SharedData();

    // 启动三个并发的修改过程。
    var task1 = ModifyValueAsync(data);
    var task2 = ModifyValueAsync(data);
    var task3 = ModifyValueAsync(data);

    await Task.WhenAll(task1, task2, task3);

    return data.Value;
}

本例中，启动了三个并发运行的修改过程。需要同步吗？答案是“看情况”。如果能确定这个方法是在 GUI 或 ASP.NET 上下文中调用的（或同一时间内只允许一段代码运行的任何其他上下文），那就不需要同步，因为这三个修改数据过程的运行时间是互不相同的。例如，如果它在 GUI 上下文中运行，就只有一个 UI 线程可以运行这些数据修改过程，因此一段时间内只能运行一个过程。因此，如果能够确定是“同一时间只运行一段代码”的上下文，那就不需要同步。但是如果从线程池线程（如 Task.Run）调用这个方法，就需要同步了。在那种情况下，这三个数据修改过程会在独立的线程池线程中运行，并且同时修改 data.Value，因此必须同步地访问 data.Value。

不可变类型本身就是线程安全的，修改一个不可变集合是不可能的，即便使用多个Task.Run向集合中添加数据，也并不需要同步操作
线程安全集合（例如 ConcurrentDictionary）就完全不同了。与不可变集合不同，线程安全集合是可以修改的。线程安全集合本身就包含了所有的同步功能
关于锁的使用，有四条重要的准则

限制锁的作用范围（例如把lock语句使用的对象设为私有成员）
文档中写清锁的作用内容
锁范围内的代码尽量少（锁定时不要进行阻塞操作）
在控制锁的时候绝不运行随意的代码（不要在语句中调用事件处理，调用虚拟方法，调用委托）

如果需要异步锁，请尝试 SemaphoreSlim
不要在 ASP. NET 中使用 Task.Run，这是因为在 ASP.NET 中，处理请求的代码本来就是在线程池线程中运行的，强行把它放到另一个线程池线程通常会适得其反

（7）实用技巧

程序的多个部分共享了一个资源，现在要在第一次访问该资源时对它初始化

static int _simpleValue;

static readonly Lazy<Task<int>> MySharedAsyncInteger = 
    new Lazy<Task<int>>(() => 
    Task.Run(async () =>
        {
            await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(2));

            return _simpleValue++;
        }));

async Task GetSharedIntegerAsync()
{
    int sharedValue = http://www.mamicode.com/await MySharedAsyncInteger.Value;
}

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1.前言

2.开宗明义

3.开发原则和要点

（1）并发编程概述

（2）异步编程基础

（3）并行开发的基础

（4）测试技巧

（5）集合

（6）函数式OOP

（7）同步

看完仍有疑问？有类似问题直接问程序猿