《CLR Via C# 第3版》笔记之（十九） - 任务（Task）

更新时间：2022-09-07 19:17:58

除了上篇中提到的线程池，本篇介绍一种新的实现异步操作的方法--任务(Task)。

主要内容：

任务的介绍
任务的基本应用
子任务和任务工厂
任务调度器
并行任务Parallel

1. 任务的介绍

利用ThreadPool的QueueUserWorkItem方法建立的异步操作存在一些限制：

异步操作没有返回值
没有内建的机制来通知异步操作什么时候完成

而使用任务(Task)来建立异步操作可以克服上述限制，同时还解决了其他一些问题。

任务(Task)对象和线程池相比，多了很多状态字段和方法，便于更好的控制任务(Task)的运行。

当然，任务(Task)提供大量的功能也是有代价的，意味着更多的内存消耗。所以在实际使用中，如果不用任务(Task)的附加功能，那么就使用ThreadPool的QueueUserWorkItem方法。

通过任务的状态（TaskStatus），可以了解任务(Task)的生命周期。

TaskStatus是一个枚举类型，定义如下：

public enum TaskStatus
{   

    // 运行前状态

    Created = 0,                      // 任务被显式创建,通过Start()开始这个任务

    WaitingForActivation = 1,         // 任务被隐式创建,会自动开始

    WaitingToRun = 2,                 // 任务已经被调度,但是还没有运行
 
    // 运行中状态

    Running = 3,                      // 任务正在运行

    WaitingForChildrenToComplete = 4, // 等待子任务完成
 
    // 运行完成后状态

    RanToCompletion = 5,              // 任务正常完成

    Canceled = 6,                     // 任务被取消

    Faulted = 7,                      // 任务出错
}

构造一个Task后，它的状态为Create。

启动后，状态变为WaitingToRun。

实际在一个线程上运行时，状态变为Running。

运行完成后，根据实际情况，状态变为RanToCompletiion，Canceled，Faulted三种中的一种。

如果Task不是通过new来创建的，而是通过以下某个函数创建的，那么它的状态就是WaitingForActivation：

ContinueWith，ContinueWhenAll，ContinueWhenAny，FromAsync。

如果Task是通过构造一个TaskCompletionSource<TResult>对象来创建的，该Task在创建时也是处于WaitingForActivation状态。

2. 任务的基本应用

下面演示任务的创建，取消，等待等基本使用方法。

2.1 创建并启动一个Task

using System;

using System.Threading.Tasks;

using System.Threading;
 
public class CLRviaCSharp_19
{

    static void Main(string[] args)

    {

        Console.WriteLine("Main Thread start!");
 
        // 创建一个Task

        Task t1 = new Task(() => { 

            Console.WriteLine("Task start"); 

            Thread.Sleep(1000);

            Console.WriteLine("Task end");

        });
 
        // 启动Task

        t1.Start();
 
        // 主线程并没有等待Task，在Task完成前就已经完成了

        Console.WriteLine("Main Thread end!");

        Console.ReadKey(true);

    }
}

2.2 主线程等待子线程完成

using System;

using System.Threading.Tasks;

using System.Threading;
 
public class CLRviaCSharp_19
{

    static void Main(string[] args)

    {

        Console.WriteLine("Main Thread start!");
 
        // 创建2个Task

        Task t1 = new Task(() => { 

            Console.WriteLine("Task1 start"); 

            Thread.Sleep(1000);

            Console.WriteLine("Task1 end");

        });

        Task t2 = new Task(() =>

        {

            Console.WriteLine("Task2 start");

            Thread.Sleep(2000);

            Console.WriteLine("Task2 end");

        });
 
        // 启动Task

        t1.Start();

        t2.Start();
 
        // 当t1和t2中任何一个完成后，主线程继续后面的操作

        // Task.WaitAny(new Task[] { t1, t2 });
 
        // 当t1和t2中全部完成后，主线程继续后面的操作

        Task.WaitAll(new Task[] { t1, t2 });
 
        Console.WriteLine("Main Thread end!");

        Console.ReadKey(true);

    }
}

等待的方法WaitAll和WaitAny可根据应用场景选用一个。

2.3 取消Task

取消Task和取消一个线程类似，使用CancellationTokenSource。

using System;

using System.Threading.Tasks;

using System.Threading;
 
public class CLRviaCSharp_19
{

    static void Main(string[] args)

    {

        Console.WriteLine("Main Thread start!");

        CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
 
        // 创建2个Task

        Task t1 = new Task(() => { 

            Console.WriteLine("Task1 start");

            for (int i = 0; i < 100; i++)

            {

                if (!cts.Token.IsCancellationRequested)

                {

                    Console.WriteLine("Count : " + i.ToString());

                    Thread.Sleep(1000);

                }

                else

                {

                    Console.WriteLine("Task1 is Cancelled!");

                    break;

                }

            }

            Console.WriteLine("Task1 end");

        }, cts.Token);
 
        // 启动Task

        t1.Start();

        Thread.Sleep(3000);

        // 运行3秒后取消Task

        cts.Cancel();
 
        // 为了测试取消操作，主线程等待Task完成

        Task.WaitAny(new Task[] { t1 });

        Console.WriteLine("Main Thread end!");

        Console.ReadKey(true);

    }
}

3. 子任务和任务工厂

3.1 延续任务

为了保证程序的伸缩性，应该尽量避免线程阻塞，这就意味着我们在等待一个任务完成时，***不要用Wait，而是让一个任务结束后自动启动它的下一个任务。

using System;

using System.Threading.Tasks;

using System.Threading;
 
public class CLRviaCSharp_19
{

    static void Main(string[] args)

    {

        Console.WriteLine("Main Thread start!");
 
        // 第一个Task

        Task<int> t1 = new Task<int>(() =>

        {

            Console.WriteLine("Task 1 start!");

            Thread.Sleep(2000);

            Console.WriteLine("Task 1 end!");

            return 1;

        });
 
        // 启动第一个Task

        t1.Start();

        // 因为TaskContinuationOptions.OnlyOnRanToCompletion，

        // 所以第一个Task正常结束时,启动第二个Task。

        // TaskContinuationOptions.OnlyOnFaulted，则第一个Task出现异常时,启动第二个Task

        // 其他可详细参考TaskContinuationOptions定义的各个标志

        t1.ContinueWith(AnotherTask, TaskContinuationOptions.OnlyOnRanToCompletion);
 
        Console.WriteLine("Main Thread end!");

        Console.ReadKey(true);

    }
 
    // 第二个Task的处理都在AnotherTask函数中，

    // 第二个Task的引用其实就是上面ContinueWith函数的返回值。

    // 这里没有保存第二个Task的引用

    private static void AnotherTask(Task<int> task)

    {

        Console.WriteLine("Task 2 start!");

        Thread.Sleep(1000);

        Console.WriteLine("Task 1's return Value is : " + task.Result);

        Console.WriteLine("Task 2 end!");

    }
}

3.2 子任务

定义子任务时，注意一定要加上TaskCreationOptions.AttachedToParent，这样父任务会等待子任务执行完后才结束。

using System;

using System.Threading.Tasks;

using System.Threading;
 
public class CLRviaCSharp_19
{

    static void Main(string[] args)

    {

        Console.WriteLine("Main Thread start!");
 
        Task<int[]> parentTask = new Task<int[]>(() =>

        {

            var result = new int[3];
 
            // 子任务1

            new Task(() => { 

                Console.WriteLine("sub task 1 start!"); 

                Thread.Sleep(1000);

                Console.WriteLine("sub task 1 end!");

                result[0] = 1;

            }, TaskCreationOptions.AttachedToParent).Start();
 
            // 子任务2

            new Task(() =>

            {

                Console.WriteLine("sub task 2 start!");

                Thread.Sleep(1000);

                Console.WriteLine("sub task 2 end!");

                result[1] = 2;

            }, TaskCreationOptions.AttachedToParent).Start();
 
            // 子任务3

            new Task(() =>

            {

                Console.WriteLine("sub task 3 start!");

                Thread.Sleep(1000);

                Console.WriteLine("sub task 3 end!");

                result[2] = 3;

            }, TaskCreationOptions.AttachedToParent).Start();
 
            return result;

        });
 
        parentTask.Start();
 
        Console.WriteLine("Parent Task's Result is :");

        foreach (int result in parentTask.Result)

            Console.Write("{0}\t", result);
 
        Console.WriteLine();

        Console.WriteLine("Main Thread end!");

        Console.ReadKey(true);

    }
}

上面的例子中，可以把TaskCreationOptions.AttachedToParent删掉试试，打印出来的Result应该是3个0，而不是1 2 3。

3个子任务的执行顺序也和定义的顺序无关，比如任务3可能最先执行（与CPU的调度有关）。

3.3 任务工厂

除了上面的方法，还可以使用任务工厂来批量创建任务。

using System;

using System.Threading.Tasks;

using System.Threading;
 
public class CLRviaCSharp_19
{

    static void Main(string[] args)

    {

        Console.WriteLine("Main Thread start!");
 
        Task<int[]> parentTask = new Task<int[]>(() =>

        {

            var result = new int[3];

            TaskFactory tf = new TaskFactory(TaskCreationOptions.AttachedToParent, TaskContinuationOptions.None);
 
            // 子任务1

            tf.StartNew(() =>

            {

                Console.WriteLine("sub task 1 start!");

                Thread.Sleep(1000);

                Console.WriteLine("sub task 1 end!");

                result[0] = 1;

            });
 
            // 子任务2

            tf.StartNew(() =>

            {

                Console.WriteLine("sub task 2 start!");

                Thread.Sleep(1000);

                Console.WriteLine("sub task 2 end!");

                result[1] = 2;

            });
 
            // 子任务3

            tf.StartNew(() =>

            {

                Console.WriteLine("sub task 3 start!");

                Thread.Sleep(1000);

                Console.WriteLine("sub task 3 end!");

                result[2] = 3;

            });
 
            return result;

        });
 
        parentTask.Start();
 
        Console.WriteLine("Parent Task's Result is :");

        foreach (int result in parentTask.Result)

            Console.Write("{0}\t", result);
 
        Console.WriteLine();

        Console.WriteLine("Main Thread end!");

        Console.ReadKey(true);

    }
}

使用任务工厂与上面3.2中直接定义子任务相比，优势主要在于可以共享子任务的设置，比如在TaskFactory中设置了TaskCreationOptions.AttachedToParent，那么它启动的子任务都具有这个属性了。

当然，任务工厂(TaskFactory)还提供了很多控制子任务的函数，用的时候可以看看它的类定义。

4. 任务调度器

上面例子中任务的各种操作(运行，等待，取消等等)，都是由CLR的任务调度器来调度的。

FCL公开了2种任务调度器：线程池任务调度器和同步上下文任务调度器。

默认情况下，应用程序都是使用的线程池任务调度器。WPF和Winform中通常使用同步上下文任务调度器。

CLR的任务调度器类(TaskScheduler)中有个Default属性返回的就是线程池任务调度器。

还有个FromCurrentSynchronizationContext方法，返回的是同步上下文任务调度器。

我们也可以通过继承CLR中的任务调度器(TaskScheduler)来定制适合自己业务需要的任务调度器。

下面我们定制一个简单的TaskScheduler，将3.3中每个子任务的打印信息的功能移到自定义的任务调度器MyTaskScheduler中。

using System;

using System.Threading.Tasks;

using System.Threading;

using System.Collections.Generic;
 
public class CLRviaCSharp_19
{

    static void Main(string[] args)

    {

        Console.WriteLine("Main Thread start!");
 
        Task<int[]> parentTask = new Task<int[]>(() =>

        {

            var result = new int[3];

            // 这里的TaskFactory中指定的是自定义的任务调度器MyTaskScheduler

            TaskFactory tf = new TaskFactory(CancellationToken.None, TaskCreationOptions.AttachedToParent,

                TaskContinuationOptions.None, new MyTaskScheduler());
 
            // 子任务1

            tf.StartNew(() =>

            {

                Thread.Sleep(1000);

                result[0] = 1;

            });
 
            // 子任务2

            tf.StartNew(() =>

            {

                Thread.Sleep(1000);

                result[1] = 2;

            });
 
            // 子任务3

            tf.StartNew(() =>

            {

                Thread.Sleep(1000);

                result[2] = 3;

            });
 
            return result;

        });
 
        parentTask.Start();
 
        Console.WriteLine("Parent Task's Result is :");

        foreach (int result in parentTask.Result)

            Console.Write("{0}\t", result);
 
        Console.WriteLine();

        Console.WriteLine("Main Thread end!");

        Console.ReadKey(true);

    }
}
 
// 自定义的TaskScheduler，没什么实际的作用，只是为了实验自定义TaskScheduler

public class MyTaskScheduler : TaskScheduler
{

    private IList<Task> _lstTasks;
 
    public MyTaskScheduler()

    {

        _lstTasks = new List<Task>();

    }
 
    #region inherit from TaskScheduler

    protected override System.Collections.Generic.IEnumerable<Task> GetScheduledTasks()

    {

        return _lstTasks;

    }
 
    protected override void QueueTask(Task task)

    {

        _lstTasks.Add(task);

        // 将原先的打印信息，移到此处统一处理

        Console.WriteLine("task " + task.Id + " is start!");

        TryExecuteTask(task);

        Console.WriteLine("task " + task.Id + " is end!");

    }

    protected override bool TryExecuteTaskInline(Task task, bool taskWasPreviouslyQueued)

    {

        return TryExecuteTask(task);

    }

    #endregion
}

5. 并行任务Parallel

Parallel是为了简化任务编程而新增的静态类，利用Parallel可以将平时的循环操作都并行起来。

下例演示了for并行循环，foreach并行循环与之类似。

using System;

using System.Threading.Tasks;

using System.Threading;

using System.Diagnostics;
 
public class CLRviaCSharp_19
{

    static void Main(string[] args)

    {

        Console.WriteLine("Main Thread start!");

        int max = 10;

        // 普通循环

        long start = Stopwatch.GetTimestamp();

        for (int i = 0; i < max; i++)

        {

            Thread.Sleep(1000);

        }

        Console.WriteLine("{0:N0}", Stopwatch.GetTimestamp() - start);
 
        // 并行的循环

        start = Stopwatch.GetTimestamp();

        Parallel.For(0, max, i => { Thread.Sleep(1000); });

        Console.WriteLine("{0:N0}", Stopwatch.GetTimestamp() - start);
 
        Console.WriteLine("Main Thread end!");

        Console.ReadKey(true);

    }
}

在上面的例子中，采用并行循环消耗的时间不到原先的一半。

但是，采用并行循环需要满足一个条件，就是for循环中的内容能够并行才行。

比如for循环中是个对循环变量i 进行的累加操作(例如sum += i;)，那就不能使用并行循环。

还有一点需要注意，Parallel的方法本身有开销。

所以如果for循环内的处理比较简单的话，那么直接用for循环可能更快一些。

比如将上例中的Thread.Sleep(1000);删掉，再运行程序发现，直接for循环要快很多。

本文转自wang_yb博客园博客，原文链接：http://www.cnblogs.com/wang_yb/archive/2011/11/10/2244745.html，如需转载请自行联系原作者

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