C#.NET使用Task,await,async,异步执行控件耗时事件(event),不阻塞UI线程和不跨线程执行UI更新,以及其他方式比较

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使用Task,await,async,异步执行事件(event),不阻塞UI线程和不跨线程执行UI更新

为什么选择多线程?

C#执行异步操作的几种方式比较和总结

  使用Task,await,async 的异步模式 去执行事件(event)
解决不阻塞UI线程和不夸跨线程执行UI更新报错的最佳实践,附加几种其他方式比较

多线程处理可以使您能够通过确保程序“永不睡眠”从而保持 UI 的快速响应。

0x00 引言

之前写程序的时候在遇到一些比较花时间的操作例如HTTP请求时,总是会new一个Thread处理。对XxxxxAsync()之类的方法也没去了解过,倒也没遇到什么大问题。最近因为需求要求用DevExpress写界面,跑起来后发现比Native控件效率差好多。这才想到之前看到的“金科玉律”:不要在UI线程上执行界面无关的操作,因此集中看了下C#的异步操作,分享一下自己的比较和总结。

由于是Winform代码和其他原因,本文章只做代码截图演示,不做界面UI展示,当然所有代码都会在截图展示。

在多线程下,耗时较长的任务就可以在其自己的线程中运行,这些线程通常称为辅助线程。因为只有辅助线程受到阻止,所以阻塞操作不再导致用户界面冻结。

0x01 测试方法

IDE:VS2015 Community

.NET版本:4.5

使用函数随机休眠100到500毫秒来模拟耗时任务,并返回任务花费的时间,在UI线程上调用这个方法会造成阻塞,导致UI假死,因此需要通过异步方式执行这个任务,并在信息输出区域显示花费的时间。

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主界面中通过各种不同按钮测试不同类型的异步操作

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其基本原则是,负责响应用户输入和保持用户界面为最新的线程(通常称为 UI 线程)不应该用于执行任何耗时较长的操作。惯常做法是,任何耗时超过 30ms 的操作都要考虑从 UI 线程中移除。

0x02 使用Thread进行异步操作

使用ThreadPool进行异步操作的方法如下所示,需要注意的就是IsBackground默认为false,也就是该线程对调用它的线程不产生依赖,当调用线程退出时该线程也不会结束。因此需要将IsBackground设置为true以指明该线程是后台线程,这样当主线程退出时该线程也会结束。另外跨线程操作UI还是要借助Dispatcher.BeginInvoke(),如果需要阻塞UI线程可以使用Dispatcher.Invoke()。

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1:封装异步按钮(为了比较放了3个按钮)和进度条的控件,包含基本文件演示截图

如果想让用户界面保持响应迅速,则任何阻塞操作都应该在辅助线程中执行—不管是机械等待某事发生(例如,等待 CD-ROM 启动或者硬盘定位数据),还是等待来自网络的响应。

0x03 使用ThreadPool进行异步操作

ThreadPool(线程池)的出现主要就是为了提高线程的复用(类似的还有访问数据库的连接池)。线程的创建是开销比较大的行为,为了达到较好的交互体验,开发中可能会大量使用异步操作,特别是需要频繁进行大量的短时间的异步操作时,频繁创建和销毁线程会在造成很多资源的浪费。而通过在线程池中存放一些线程,当需要新建线程执行操作时就从线程池中取出一个已经存在的空闲线程使用,如果此时没有空闲线程,且线程池中的线程数未达到线程池上限,则新建一个线程,使用完成后再放回到线程池中。这样可以极大程度上省去线程创建的开销。线程池中线程的最小和最大数都可以指定,不过多数情况下无需指定,CLR有一套管理线程池的策略。ThreadPool的使用非常简单,代码如下所示。跨线程操作UI仍需借助Dispatcher。

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1.1 演示工程截图图片 5 1.2按钮和进度条控件演示 图片 6

 

0x04 使用Task进行异步操作

Task进行异步操作时也是从线程池中获取线程进行操作,不过支持的操作更加丰富一些。而且Task<T>可以支持返回值,通过Task的ContinueWith()可以在Task执行结束后将返回值传入以进行操作,但在ContinueWith中跨线程操作UI仍需借助Dispatcher。另外Task也可以直接使用静态方法Task.Run<T>()执行异步操作。

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异步委托调用

0x05 使用async/await进行异步操作

这个是C#5中的新特性,当遇到await时,会从线程池中取出一个线程异步执行await等待的操作,然后方法立即返回。等异步操作结束后回到await所在的地方接着往后执行。await需要等待async
Task<T>类型的函数。详细的使用方法可参考相关资料,测试代码如下所示。异步结束后的会返回到调用线程,所以修改UI不需要Dispatcher。

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也可以把TestTask包装成async方法,这样就可以使用上图中注释掉的两行代码进行处理。包装后的异步方法如下所示:

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async/await也是从线程池中取线程,可实现线程复用,而且代码简洁容易阅读,异步操作返回后会自动返回调用线程,是执行异步操作的首选方式。而且虽然是C#5的新特性,但C#4可以通过下载升级包来支持async/await。

2:定义异步委托和事件和几种演示封装

在辅助线程中运行代码的最简单方式是使用异步委托调用(所有委托都提供该功能)。委托通常是以同步方式进行调用,即,在调用委托时,只有包装方法返回后该调用才会返回。要以异步方式调用委托,请调用 BeginInvoke 方法,这样会对该方法排队以在系统线程池的线程中运行。调用线程会立即返回,而不用等待该方法完成。这比较适合于 UI 程序,因为可以用它来启动耗时较长的作业,而不会使用户界面反应变慢。

0x06 关于效率

以上尝试的方法除了直接使用Thread之外,其他几种都是直接或间接使用线程池来获取线程的。从理论上来分析,创建线程时要给线程分配栈空间,线程销毁时需要回收内存,创建线程也会增加CPU的工作。因此可以连续创建线程并记录消耗的时间来测试性能。测试代码如下所示:

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当测试Thread时每次测试在连续创建线程时内存和CPU都会有个小突起,不过在线程结束后很快就会降下去,在我的电脑上连续创建100个线程大概花费120-130毫秒。如图所示:

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测试结果:

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使用基于线程池的方法创建线程时,有时第一次会稍慢一些,应该是线程池内线程不足,时间开销在0-15毫秒,第一次创建内存也会上升。后面再测试时时间开销为0毫秒,内存表现也很平稳,CPU开销分布比较平均。测试结果如图所示:

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2.1
定义相关事件图片 14
解析:最前面的是普通的事件定义,后面2行是异步定义。

在以下代码中,System.Windows.Forms.MethodInvoker 类型是一个系统定义的委托,用于调用不带参数的方法。

0x07 结论

在执行异步操作时应使用基于线程池的操作,从代码的简洁程度和可读性上优先使用async/await方式。对于较老的.NET版本可以使用Task或ThreadPool。符合以下情况的可以使用Thread:

1、线程创建后需要持续工作到主线程退出的。这种情况下就算使用线程池线程也不会归还,实现不了复用,可以使用Thread。

2、线程在主线程退出后仍需要执行的,这种情况使用线程池线程无法满足需求,需要使用Thread并制定IsBackground为false(默认)。

 

private void StartSomeWorkFromUIThread () {

    // The work we want to do is too slow for the UI

    // thread, so let's farm it out to a worker thread.

 

    MethodInvoker mi = new MethodInvoker(

        RunsOnWorkerThread);

    mi.BeginInvoke(null, null); // This will not block.

}

 

// The slow work is done here, on a thread

// from the system thread pool.

private void RunsOnWorkerThread() {

    DoSomethingSlow();

}

如果想要传递参数,可以选择合适的系统定义的委托类型,或者自己来定义委托。

0x08 相关下载

测试程序代码在:

 

2.2 按钮名称[Task]执行普通异步Task

调用 BeginInvoke 会使该方法在系统线程池的线程中运行,而不会阻塞 UI
线程以便其可执行其他操作。
如果您需要该方法返回的结果,则 BeginInvoke
的返回值很重要,并且您可能不传递空参数。
然而,对于大多数 UI 应用程序而言,这种“启动后就不管”的风格是最有效的。
应该注意到,BeginInvoke 将返回一个 IAsyncResult。这可以和委托的
EndInvoke 方法一起使用,

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以在该方法调用完毕后检索调用结果。

解析调用过程:当用户点击按钮时会加载所有用户注册的事件进行多线程分发,单独每一个委托进行执行,最后单独使用线程进行等待,这样不阻塞UI线程。

 

但是用户注册的事件方法如果有更新UI会报错,需要额外的Invoke进行处理。

线程和控件

 

 Windows 窗体中最重要的一条线程规则:除了极少数的例外情况,否则都不要在它的创建线程以外的线程中使用控件的任何成员。规则的结果是一个被包含的控件(如,包含在一个表单中的按钮)必须与包含它控件位处于同一个线程中。也就是说,一个窗口中的所有控件属于同一个 UI 线程。大部分
Windows 窗体应用程序最终都只有一个线程,所有 UI 活动都发生在这个线程上。这个线程通常称为 UI 线程。这意味着您不能调用用户界面中任意控件上的任何方法,除非在该方法的文档说明中指出可以调用。

 

注意,以下代码是非法的:

2.3 按钮名称[BeginInvoke]执行普通异步

// Created on UI thread

private Label lblStatus;

...

// Doesn't run on UI thread

private void RunsOnWorkerThread() {

    DoSomethingSlow();

    lblStatus.Text = "Finished!";    // BAD!!

}

这就是多线程错误中的主要问题,即它们并不会立即显现出来。甚至当出现了一些错误时,在第一次演示程序之前一切看起来也都很正常。

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解析调用过程:这个调用过程和Task一样,但是简单,这个也可以写成多事件注册,多多领会异步编程模型的好处(原理:异步执行,内部等待信号通知结束)。

在正确的线程中调用控件

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