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C#并行編程之Task任務(wù)

 更新時(shí)間：2022年05月09日 11:48:56   作者：springsnow  
這篇文章介紹了C#并行編程之Task任務(wù)，文中通過(guò)示例代碼介紹的非常詳細(xì)。對(duì)大家的學(xué)習(xí)或工作具有一定的參考借鑒價(jià)值，需要的朋友可以參考下

任務(wù)，基于線程池。其使我們對(duì)并行編程變得更簡(jiǎn)單，且不用關(guān)心底層是怎么實(shí)現(xiàn)的。
System.Threading.Tasks.Task類是Task Programming Library(TPL)中最核心的一個(gè)類。

一、任務(wù)與線程

1：任務(wù)是架構(gòu)在線程之上的，也就是說(shuō)任務(wù)最終還是要拋給線程去執(zhí)行。

2：任務(wù)跟線程不是一對(duì)一的關(guān)系，比如開(kāi)10個(gè)任務(wù)并不是說(shuō)會(huì)開(kāi)10個(gè)線程，這一點(diǎn)任務(wù)有點(diǎn)類似線程池，但是任務(wù)相比線程池有很小的開(kāi)銷和精確的控制。

我們用VS里面的“并行任務(wù)”看一看，快捷鍵Ctrl+D，K，或者找到“調(diào)試"->"窗口“->"并行任務(wù)“，我們?cè)赪aitAll方法處插入一個(gè)斷點(diǎn)，最終我們發(fā)現(xiàn)任務(wù)確實(shí)托管給了線程。

二、初識(shí)Task

兩種構(gòu)建Task的方式，只是StartNew方法直接構(gòu)建出了一個(gè)Task之后又調(diào)用了其Start方法。

    Task.Factory.StartNew (() =>
    {
        Console.WriteLine("Hello word!");
    });

    Task task = 
    new Task
    (() =>
    {
        Console.WriteLine("Hello,Word!");
    });
    task.Start();

在Task內(nèi)部執(zhí)行的內(nèi)容我們稱作為Task的Body，Task提供了多個(gè)初始化重載的方法。

public Task(Action action);
public Task(Action<object> action, 
object state
);給action傳參數(shù)
public Task(Action action, CancellationToken cancellationToken);
public Task(Action action, TaskCreationOptions creationOptions);

例如使用了重載方法的State參數(shù)：

Task task2 = new Task((obj ) => 
{
    Console.WriteLine("Message: {0}", obj); }, "Say \"Hello\" from task2");
    task2.Start();
}

補(bǔ)充細(xì)節(jié)

在創(chuàng)建Task的時(shí)候，Task有很多的構(gòu)造函數(shù)的重載，一個(gè)主要的重載就是傳入TaskCreateOptions的枚舉：  

  • TaskCreateOptions.None:用默認(rèn)的方式創(chuàng)建一個(gè)Task
  • TaskCreateOptions.PreferFairness:請(qǐng)求scheduler盡量公平的執(zhí)行Task(Task和線程一樣，有優(yōu)先級(jí)的)
  • TaskCreateOptions.LongRunning:聲明Task將會(huì)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行。
  • TaskCreateOptions.AttachToParent:因?yàn)門ask是可以嵌套的，所以這個(gè)枚舉就是把一個(gè)子task附加到一個(gè)父task中。

三、任務(wù)的結(jié)果

任務(wù)結(jié)束時(shí)，它可以把一些有用的狀態(tài)信總寫(xiě)到共享對(duì)象中。這個(gè)共享對(duì)象必須是線程安全的。 
另一個(gè)方式是使用返回某個(gè)結(jié)果的任務(wù)。使用Task類的泛型版本，就可以定義返冋某個(gè)結(jié)果的任務(wù)的返回類型。

使用返回值的Result屬性可獲取是在一個(gè)Task運(yùn)行完成才會(huì)獲取的，所以task2是在task1運(yùn)行完成后，才開(kāi)始運(yùn)行，也就是說(shuō)上面的兩個(gè)result的值不管運(yùn)行多少次都是不會(huì)變的。其中我們也可以通過(guò)CurrentId來(lái)獲取當(dāng)前運(yùn)行的Task的編號(hào)。

    var loop = 0;
    var task1 = new Task<int>(() => 
    {
        for (var i = 0; i < 1000; i++)
            loop += i;
        return loop;
    });
    task1.Start();           
    var loopResut = task1.Result;
 
    var task2 = new Task<long>(obj=>
    {
        long res = 0;
        var looptimes = (int)obj;
        for (var i = 0; i < looptimes; i++)
            res += i;
        return res;
    },loopResut);
     
    task2.Start();
    var resultTask2 = task2.Result;
 
    Console.WriteLine("任務(wù)1的結(jié)果':{0}\n任務(wù)2的結(jié)果:{1}",   loopResut,resultTask2);

.NET 4.5 ：Task.Run

在 .NET Framework 4.5 及更高版本（包括 .NET Core 和 .NET Standard）中，使用靜態(tài) Task.Run 方法作為 TaskFactory.StartNew 的快捷方式。

Task.Run的跟Task.Factory.StarNew和new Task相差不多，不同的是前兩種是放進(jìn)線程池立即執(zhí)行，而Task.Run則是等線程池空閑后在執(zhí)行。

Run方法只接受無(wú)參的Action和Func委托，另外兩個(gè)接受一個(gè)object類型的參數(shù)。

在msdn中TaskFactory.StartNew的備注信息如下：

四、連續(xù)任務(wù)

所謂的延續(xù)的Task就是在第一個(gè)Task完成后自動(dòng)啟動(dòng)下一個(gè)Task。我們通過(guò)ContinueWith方法來(lái)創(chuàng)建延續(xù)的Task。我們假設(shè)有一個(gè)接受xml解析的服務(wù)，首先從某個(gè)地方接受文件，然后解析入庫(kù)，最后發(fā)送是否解析正確的回執(zhí)。在每次調(diào)用ContinueWith方法時(shí)，每次會(huì)把上次Task的引用傳入進(jìn)來(lái)，以便檢測(cè)上次Task的狀態(tài)，比如我們可以使用上次Task的Result屬性來(lái)獲取返回值。

    var ReceiveTask  = new Task(() => ReceiveXml());
    var ResolveTask = ReceiveTask .ContinueWith <bool>((r) => ResolveXml());
    var SendFeedBackTask = ResolveTask.ContinueWith <string>((s) => SendFeedBack(s.Result));
    ReceiveTask.Start();
    Console.WriteLine(SendFeedBackTask.Result);

上面的代碼我們也可以這么寫(xiě)：

   var SendFeedBackTask = Task.Factory.StartNew(() => ReceiveXml())
        .ContinueWith<bool>(s => ResolveXml())
        .ContinueWith<string>(r => SendFeedBack(r.Result));
    Console.WriteLine(SendFeedBackTask.Result);

無(wú)論前一個(gè)任務(wù)是如何結(jié)束的，前面的連續(xù)任務(wù)總是在前一個(gè)任務(wù)結(jié)束時(shí)啟動(dòng)。使用 TaskContinuationOptions枚舉中的值，可以指定，連續(xù)任務(wù)只有在起始任務(wù)成功(或失敗)結(jié)束吋啟動(dòng)。可能的值是 OnlyOnFaulted、NotOoFaulted、Onl)OnCanceIed、NotOnCanceled 和 OnlyOnRanToCompletion

Task t5 = t1.ContinueWith(DoOnError,
TaskContinuationOptions.OnlyOnFaulted);

五、分離嵌套任務(wù)

有些情況下我們需要?jiǎng)?chuàng)建嵌套的Task，嵌套里面又分為分離的和不分離的。其創(chuàng)建的方式很簡(jiǎn)單，就是在Task的body里面創(chuàng)建一個(gè)新的Task。如果新的Task未指定AttachedToParent選項(xiàng)，那么就是分離嵌套的。我們看下面這段代碼。下面的代碼中outTask.Wait()表示等待outTask執(zhí)行完成。

var outTask = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    Console.WriteLine("Outer task beginning...");
    var childTask = Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        Thread.SpinWait(3000000);
        Console.WriteLine("Detached nested task completed.");
    });
});
outTask.Wait();
Console.WriteLine("Outer task completed.");
Console.ReadKey();

我們可以看到運(yùn)行結(jié)果是：

六、子任務(wù)

我們將上面的代碼加上TaskCreationOptions選項(xiàng)：

如果父任務(wù)在子任務(wù)之前結(jié)束，父任務(wù)的狀態(tài)就顯示為WaitingForChildrenToComplete。只要子任務(wù)也結(jié)束時(shí)，父任務(wù)的狀態(tài)就變成RanToCompletion。.、當(dāng)然，如果父任務(wù)用TaskCreatiooOptions 枚舉中的DetachedFromParent創(chuàng)建子任務(wù)時(shí)，這就無(wú)效。

var outTask = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    Console.WriteLine("Outer task beginning...");
    var childTask = Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        Thread.SpinWait(3000000);
        Console.WriteLine("Detached nested task completed.");
    },TaskCreationOptions.AttachedToParent);
});
outTask.Wait();
Console.WriteLine("Outer task completed.");

看到運(yùn)行結(jié)果：

七、取消任務(wù)

在4.0中給我們提供一個(gè)“取消標(biāo)記”叫做CancellationTokenSource.Token，在創(chuàng)建task的時(shí)候傳入此參數(shù)，就可以將主線程和任務(wù)相關(guān)聯(lián)。我們通過(guò)cancellation的tokens來(lái)取消一個(gè)Task。

有點(diǎn)要特別注意的，當(dāng)我們調(diào)用了Cancel()方法之后，.NET Framework不會(huì)強(qiáng)制性的去關(guān)閉運(yùn)行的Task。我們自己必須去檢測(cè)之前在創(chuàng)建Task時(shí)候傳入的那個(gè)CancellationToken。

一旦cancel被調(diào)用,task將會(huì)拋出OperationCanceledException來(lái)中斷此任務(wù)的執(zhí)行，最后將當(dāng)前task的Status的IsCanceled屬性設(shè)為true。

1、在很多Task的Body里面包含循環(huán)，我們可以在輪詢的時(shí)候判斷IsCancellationRequested屬性是否為True，如果是True的話，就可以停止循環(huán)以及釋放資源，同時(shí)拋出OperationCanceledException異常出來(lái)。

2、或者在任務(wù)中設(shè)置“取消信號(hào)“叫做ThrowIfCancellationRequested，來(lái)等待主線程使用Cancel來(lái)通知。

3、檢測(cè)task是否被cancel就是調(diào)用CancellationToken.WaitHandle屬性。CancellationToken的WaitOne()方法會(huì)阻止task的運(yùn)行，只有CancellationToken的cancel()方法被調(diào)用后，這種阻止才會(huì)釋放。

var cts = new CancellationTokenSource();

var ct =  cts.Token;

var task = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    for (var i = 0; i < 10000000; i++)
    {
        if (ct.IsCancellationRequested)
        {
            Console.WriteLine("任務(wù)開(kāi)始取消...");
            throw new OperationCanceledException(ct);
        }
         //或者直接在檢測(cè)到異常時(shí)，扔出異常：  token.ThrowIfCancellationRequested();
         //或者等待 WaitHandle：           token.WaitHandle.WaitOne();


    }
},ct);//傳入CancellationToken作為Task第二個(gè)參數(shù)

ct.Register(() =>
{
    Console.WriteLine("已經(jīng)取消");
});

Thread.Sleep(5000);
cts.Cancel();//如果想要取消一個(gè)Task的運(yùn)行，只要調(diào)用CancellationToken實(shí)例的Cancel()方法就可以了。

try
{
    task.Wait();
}
catch (AggregateException e)
{
    foreach (var v in e.InnerExceptions)
        Console.WriteLine("msg: " + v.Message);
}

八、休眠：等待時(shí)間執(zhí)行

在TPL中我們可以通過(guò)三種方式進(jìn)行等待，一是通過(guò)CancellTaken的WaitHanle進(jìn)行等待、第二種則是通過(guò)傳統(tǒng)的Tread.Sleep方法、第三種則通過(guò)Thread.SpainWait方法。

1、CancellToken方式：每次我們等待十秒鐘之后，再進(jìn)行下次輸出。

有一點(diǎn)要注意：WaitOne()方法只有在設(shè)定的時(shí)間間隔到了，或者Cancel方法被調(diào)用，此時(shí)task才會(huì)被喚醒。如果如果cancel()方法被調(diào)用而導(dǎo)致task被喚醒，那么CancellationToken.WaitHandle.WaitOne()方法就會(huì)返回true，如果是因?yàn)樵O(shè)定的時(shí)間到了而導(dǎo)致task喚醒，那么CancellationToken.WaitHandle.WaitOne()方法返回false。

    var cts = new CancellationTokenSource();
    var ct = cts.Token;
 
    var task = new Task(() =>
    {
        for (var i = 0; i < 100000; i++)
        {
            var cancelled = ct.WaitHandle.WaitOne(1000 );
            Console.WriteLine(" {0}. Cancelled? {1}", i, cancelled);
            if (cancelled)
            {
                throw new OperationCanceledException(ct);
            }
        }
    }, ct);
    task.Start();

2、上面的功能如果我們要是通過(guò)Tread.Sleep方式實(shí)現(xiàn)：

            var task = new Task(() =>
            {
                for (var i = 0; i < 100000; i++)
                {
                    Thread.Sleep(10000);
                    var cancelled =ct.IsCancellationRequested;
                    Console.WriteLine(" {0}. Cancelled? {1}",
                                i, cancelled); if (cancelled)
                    {
                        throw new OperationCanceledException(ct);
                    }
                }
            },ct);

3、Thread.SpainWait則跟上面兩種方式完全不同，上面的兩種方式都是會(huì)在線程調(diào)度程序不考慮改線程，直等到運(yùn)行結(jié)束。而Thread.SpainWait的作用實(shí)質(zhì)上會(huì)將處理器置于十分緊密的循環(huán)中，主要的作用是來(lái)實(shí)現(xiàn)同步鎖的作用。并不常用，大部分情況下我們可以通過(guò)Lock的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Thread.SpinWait(10000);

九、等待任務(wù)執(zhí)行

在很多時(shí)候我們也許需要等待同時(shí)開(kāi)啟的幾個(gè)線程完成之后再來(lái)做其他事，在TPL中提供了幾種方式來(lái)等待任務(wù)執(zhí)行。Task.Wait等待單個(gè)任務(wù)完成；Task.WaitAll等待所有的Task完成、TaskAny等在其中的任何一個(gè)或則多個(gè)任務(wù)完成。

1、Task.Wait: 等待單獨(dú)的一個(gè)Task執(zhí)行完成

共有5個(gè)重載：Wait()、Wait(CancellToken)、Wait(Int32)、Wait(TimeSpan)、Wait(TimeSpan、CancellToken)。各個(gè)重載方法的含義：

  • 1)Wait():等待整個(gè)任務(wù)完成或者取消或者出現(xiàn)異常；
  • 2)Wait(CancellToken)：等待任務(wù)直到CancellToken調(diào)用取消或者完成，或者出現(xiàn)異常；
  • 3)Wait(Int32)：等待任務(wù)，未完成則到指定的時(shí)間；
  • 4)Wait(TimeSpan)：同上；
  • 5)Wait(TimeSpan、CancellToken):等待任務(wù)到指定時(shí)間，或者CancellToken調(diào)用取消或者任務(wù)完成。
static void Main(string[] args)
{
    var tokenSource = new CancellationTokenSource();
    CancellationToken token = tokenSource.Token;
        Task task = createTask(token,6);    task.Start();
    Console.WriteLine("Wait() complete.");
    task.Wait();
    Console.WriteLine("Task Completed.");
    
    task = createTask(token,3);
    task.Start();
    Console.WriteLine("Wait(2) secs for task to complete.");
    bool completed = task.Wait(2000);
    Console.WriteLine("Wait ended - task completed: {0}", completed);
    
    task = createTask(token,4);
    task.Start();
    Console.WriteLine("Wait(2,token) for task to complete.");
    completed = task.Wait(2000, token);
    Console.WriteLine("Wait ended - task completed: {0} task cancelled {1}",
    completed, task.IsCanceled);
    Console.WriteLine("Main method complete. Press enter to finish.");
    Console.ReadLine();
}
static Task createTask(CancellationToken token,int loop)
{
    return new Task(() =>
    {
        for (int i = 0; i < loop; i++)
        {
            token.ThrowIfCancellationRequested();
            Console.WriteLine("Task - Int value {0}", i);
            token.WaitHandle.WaitOne(1000);
        }
    }, token);
}

循環(huán)都會(huì)等待1秒鐘，這樣我們可以看看Wait(2000)的效果，看看運(yùn)行后的效果：

從上面的例子可以看出，wait方法子task執(zhí)行完成之后會(huì)返回true。
注意：當(dāng)在執(zhí)行的task內(nèi)部拋出了異常之后，這個(gè)異常在調(diào)用wait方法時(shí)會(huì)被再次拋出。后面再"異常處理篇"會(huì)講述。

2、Task.WaitAll方法： 等待多個(gè)task

是等待所有的任務(wù)完成，也有5個(gè)重載， 也可以傳遞時(shí)間以及Token參數(shù)，進(jìn)行等待時(shí)間以及取消Token的控制。

   var tokenSource = new CancellationTokenSource();
    CancellationToken token = tokenSource.Token;
    var task1 = createTask(token,2);
    var task2 = createTask(token, 5);
    task1.Start();
    task2.Start();
    Console.WriteLine("Waiting for tasks to complete.");
    Task.WaitAll(task1, task2);
    Console.WriteLine("Tasks Completed.");

注意：如果在等在的多個(gè)task之中，有一個(gè)task拋出了異常，那么調(diào)用WaitAll()方法時(shí)就會(huì)拋出異常。

ContinueWith結(jié)合WaitAll來(lái)玩一把

當(dāng)這兩者結(jié)合起來(lái)，我們就可以玩一些復(fù)雜一點(diǎn)的東西，比如說(shuō)現(xiàn)在有4個(gè)任務(wù)，其中t1需要串行，t2-t3可以并行，t4需要串行.

ConcurrentStack<int> stack = new ConcurrentStack<int>();

//t1先執(zhí)行
var t1 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    stack.Push(1);
    stack.Push(2);
});

//t2,t3并行執(zhí)行
var t2 = t1.
ContinueWith
(t =>
{
    int result;

    stack.TryPop(out result);
});

//t2,t3并行執(zhí)行
var t3 = t1.
ContinueWith
(t =>
{
    int result;

    stack.TryPop(out result);
});

//等待t2和t3執(zhí)行完
Task.WaitAll(t2, t3);

 //t4z再執(zhí)行
var t4 = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    Console.WriteLine("當(dāng)前集合元素個(gè)數(shù)：" + stack.Count);
});

3、Task.WaitAny

等待任何一個(gè)任務(wù)完成，完成之后返回其完成的任務(wù)的Index:

    var tokenSource = new CancellationTokenSource();
    CancellationToken token = tokenSource.Token;
    var task1 = createTask(token,2);
    var task2 = createTask(token, 5);
    task1.Start();
    task2.Start();
    Console.WriteLine("Waiting for tasks to complete.");
    var index = Task.WaitAny(task1, task2);
    Console.WriteLine("Tasks Completed.Index is {0}",index);

十、異常處理

在TPL中，異常的觸發(fā)器主要是這幾個(gè)：
Task.Wait(), Task.WaitAll(), Task,WaitAny(),Task.Result。而在TPL出現(xiàn)的異常都會(huì)以AggregateException的示例拋出，我們?cè)谶M(jìn)行基本的異常處理時(shí)，可以通過(guò)查看AggregateException的InnerExceptions來(lái)進(jìn)行內(nèi)部異常的捕獲：

var tokenSource = new CancellationTokenSource();
    var token = tokenSource.Token;
    var task1 = new Task(() =>
    {
        throw new NullReferenceException() { 
Source
="task1"};
    });
    var task2 = new Task(() =>
    {
        throw new ArgumentNullException("a", "a para can not be null") { Source="task2"};
    });
    task1.Start(); task2.Start(); 
    try
    {
        Task.WaitAll(task1, task2);
    }
    catch(AggregateException ex)
    {
        foreach (Exception inner in ex.InnerExceptions)
        {
            Console.WriteLine("Exception type {0} from {1}",
            inner.GetType(), inner.Source);
        }
    }

同時(shí)，我們還可以通過(guò)Task的幾個(gè)屬性來(lái)判斷Task的狀態(tài)，如：IsCompleted, IsFaulted, IsCancelled,Exception。

另外，AggregateException中還提供了Handle方法來(lái)給我們方法來(lái)給我們處理每個(gè)內(nèi)部 異常，每個(gè)異常發(fā)生時(shí)都會(huì)調(diào)用Handle傳入的delegate ，同時(shí)我們需要通過(guò)返回True,False來(lái)告訴異常是否已經(jīng)被處理，比如對(duì)于OperationCanceledException我們知道是取消了Task，是肯定可以處理的：

    try
    {
        Task.WaitAll(task1, task2, task3, task4);
    }
    catch(AggregateException ex)
    {
        ex.Handle((e) =>
        {
            if (e is OperationCanceledException)
            {
                return true;
            }
            else
            {
                return false;
            }
        });
    }

十一、執(zhí)行晚加載的Task(Lazily Task)

晚加載，或者又名延遲初始化，主要的好處就是避免不必要的系統(tǒng)開(kāi)銷。在并行編程中，可以聯(lián)合使用Lazy變量和Task<>.Factory.StartNew()做到這點(diǎn)。(Lazy變量時(shí).NET 4中的一個(gè)新特性，這里大家不用知道Lazy的具體細(xì)節(jié))。

Lazy變量只有在用到的時(shí)候才會(huì)被初始化。所以我們可以把Lazy變量和task的創(chuàng)建結(jié)合：只有這個(gè)task要被執(zhí)行的時(shí)候才去初始化。

            // do the same thing in a single statement
            Lazy<Task<string>> lazyData2 = new Lazy<Task<string>>(
            () => Task<string>.Factory.StartNew(() =>
            {
                Console.WriteLine("Task body working...");
                return "Task Result";
            }));

            Console.WriteLine("Calling second lazy variable");
            Console.WriteLine("Result from task: {0}", lazyData2.Value.Result);

首先我們回想一下，在之前的系列文章中我們是怎么定義一個(gè)task的：直接new，或者通過(guò)task的factory來(lái)創(chuàng)建，因?yàn)閯?chuàng)建task的代碼是在main函數(shù)中的，所以只要new了一個(gè)task，那么這個(gè)task就被初始化?，F(xiàn)在如果用了Lazy的task，那么現(xiàn)在我們初始化的就是那個(gè)Lazy變量了，而沒(méi)有初始化task，(初始化Lazy變量的開(kāi)銷小于初始化task)，只有當(dāng)調(diào)用了lazyData.Value時(shí)，Lazy變量中包含的那個(gè)task才會(huì)初始化。

到此這篇關(guān)于C#并行編程之Task任務(wù)的文章就介紹到這了。希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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