C#執(zhí)行異步操作的幾種方式比較和總結(jié)

0x00 引言

之前寫程序的時(shí)候在遇到一些比較花時(shí)間的操作例如HTTP請求時(shí)，總是會(huì)new一個(gè)Thread處理。對XxxxxAsync()之類的方法也沒去了解過，倒也沒遇到什么大問題。最近因?yàn)樾枨笠笥肈evExPRess寫界面，跑起來后發(fā)現(xiàn)比Native控件效率差好多。這才想到之前看到的“金科玉律”:不要在UI線程上執(zhí)行界面無關(guān)的操作，因此集中看了下C#的異步操作，分享一下自己的比較和總結(jié)。

0x01 測試方法

IDE：VS2015 Community

.NET版本：4.5

使用函數(shù)隨機(jī)休眠100到500毫秒來模擬耗時(shí)任務(wù)，并返回任務(wù)花費(fèi)的時(shí)間，在UI線程上調(diào)用這個(gè)方法會(huì)造成阻塞，導(dǎo)致UI假死，因此需要通過異步方式執(zhí)行這個(gè)任務(wù)，并在信息輸出區(qū)域顯示花費(fèi)的時(shí)間。

主界面中通過各種不同按鈕測試不同類型的異步操作

0x02 使用Thread進(jìn)行異步操作

使用ThreadPool進(jìn)行異步操作的方法如下所示，需要注意的就是IsBackground默認(rèn)為false，也就是該線程對調(diào)用它的線程不產(chǎn)生依賴，當(dāng)調(diào)用線程退出時(shí)該線程也不會(huì)結(jié)束。因此需要將IsBackground設(shè)置為true以指明該線程是后臺(tái)線程，這樣當(dāng)主線程退出時(shí)該線程也會(huì)結(jié)束。另外跨線程操作UI還是要借助Dispatcher.BeginInvoke()，如果需要阻塞UI線程可以使用Dispatcher.Invoke()。

0x03 使用ThreadPool進(jìn)行異步操作

ThreadPool（線程池）的出現(xiàn)主要就是為了提高線程的復(fù)用（類似的還有訪問數(shù)據(jù)庫的連接池）。線程的創(chuàng)建是開銷比較大的行為，為了達(dá)到較好的交互體驗(yàn)，開發(fā)中可能會(huì)大量使用異步操作，特別是需要頻繁進(jìn)行大量的短時(shí)間的異步操作時(shí)，頻繁創(chuàng)建和銷毀線程會(huì)在造成很多資源的浪費(fèi)。而通過在線程池中存放一些線程，當(dāng)需要新建線程執(zhí)行操作時(shí)就從線程池中取出一個(gè)已經(jīng)存在的空閑線程使用，如果此時(shí)沒有空閑線程，且線程池中的線程數(shù)未達(dá)到線程池上限，則新建一個(gè)線程，使用完成后再放回到線程池中。這樣可以極大程度上省去線程創(chuàng)建的開銷。線程池中線程的最小和最大數(shù)都可以指定，不過多數(shù)情況下無需指定，CLR有一套管理線程池的策略。ThreadPool的使用非常簡單，代碼如下所示。跨線程操作UI仍需借助Dispatcher。

0x04 使用Task進(jìn)行異步操作

Task進(jìn)行異步操作時(shí)也是從線程池中獲取線程進(jìn)行操作，不過支持的操作更加豐富一些。而且Task<T>可以支持返回值，通過Task的ContinueWith()可以在Task執(zhí)行結(jié)束后將返回值傳入以進(jìn)行操作，但在ContinueWith中跨線程操作UI仍需借助Dispatcher。另外Task也可以直接使用靜態(tài)方法Task.Run<T>()執(zhí)行異步操作。

0x05 使用async/await進(jìn)行異步操作

這個(gè)是C#5中的新特性，當(dāng)遇到await時(shí)，會(huì)從線程池中取出一個(gè)線程異步執(zhí)行await等待的操作，然后方法立即返回。等異步操作結(jié)束后回到await所在的地方接著往后執(zhí)行。await需要等待async Task<T>類型的函數(shù)。詳細(xì)的使用方法可參考相關(guān)資料，測試代碼如下所示。異步結(jié)束后的會(huì)返回到調(diào)用線程，所以修改UI不需要Dispatcher。

也可以把TestTask包裝成async方法，這樣就可以使用上圖中注釋掉的兩行代碼進(jìn)行處理。包裝后的異步方法如下所示：

async/await也是從線程池中取線程，可實(shí)現(xiàn)線程復(fù)用，而且代碼簡潔容易閱讀，異步操作返回后會(huì)自動(dòng)返回調(diào)用線程，是執(zhí)行異步操作的首選方式。而且雖然是C#5的新特性，但C#4可以通過下載升級(jí)包來支持async/await。

0x06 關(guān)于效率

以上嘗試的方法除了直接使用Thread之外，其他幾種都是直接或間接使用線程池來獲取線程的。從理論上來分析，創(chuàng)建線程時(shí)要給線程分配棧空間，線程銷毀時(shí)需要回收內(nèi)存，創(chuàng)建線程也會(huì)增加CPU的工作。因此可以連續(xù)創(chuàng)建線程并記錄消耗的時(shí)間來測試性能。測試代碼如下所示：

當(dāng)測試Thread時(shí)每次測試在連續(xù)創(chuàng)建線程時(shí)內(nèi)存和CPU都會(huì)有個(gè)小突起，不過在線程結(jié)束后很快就會(huì)降下去，在我的電腦上連續(xù)創(chuàng)建100個(gè)線程大概花費(fèi)120-130毫秒。如圖所示：

測試結(jié)果：

使用基于線程池的方法創(chuàng)建線程時(shí)，有時(shí)第一次會(huì)稍慢一些，應(yīng)該是線程池內(nèi)線程不足，時(shí)間開銷在0-15毫秒，第一次創(chuàng)建內(nèi)存也會(huì)上升。后面再測試時(shí)時(shí)間開銷為0毫秒，內(nèi)存表現(xiàn)也很平穩(wěn)，CPU開銷分布比較平均。測試結(jié)果如圖所示：

0x07 結(jié)論

在執(zhí)行異步操作時(shí)應(yīng)使用基于線程池的操作，從代碼的簡潔程度和可讀性上優(yōu)先使用async/await方式。對于較老的.NET版本可以使用Task或ThreadPool。符合以下情況的可以使用Thread：

1、線程創(chuàng)建后需要持續(xù)工作到主線程退出的。這種情況下就算使用線程池線程也不會(huì)歸還，實(shí)現(xiàn)不了復(fù)用，可以使用Thread。

2、線程在主線程退出后仍需要執(zhí)行的，這種情況使用線程池線程無法滿足需求，需要使用Thread并制定IsBackground為false（默認(rèn)）。

0x08 相關(guān)下載

測試程序代碼在：https://github.com/durow/TestArea/tree/master/AsyncTest/AsyncTest