《CLR Via C# 第3版》笔记之（二十一） - 异步编程模型(APM)
APM是.NET中异步编程模型的缩写（Asynchronous Programing Model）。
通过异步编程，使得我们的程序可以更加高效的利用系统资源。
主要内容：
- 一个APM的例子
- GUI中的APM
- APM的优劣点
- AMP使用中的注意事项
1. 一个APM的例子
.Net中的异步模型非常完善，只要看到Begin***者End***方法。基本都是相对***方法的异步调用方式。
（注：***是方法的名称）
所以在.Net中实现一个异步调用是很方便的，下面用个小例子来演示一个异步操作。
首先是同步的方式请求百度搜索10次。(分别搜索1，2，3。。。。10）
public class CLRviaCSharp_21
{
static void Main(string[] args)
{
// 用百度分别检索1，2，3。。。9，共检索10次
DateTime start = DateTime.Now;
string strReq = "http://www.baidu.com/s?wd={0}";
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
var req = WebRequest.Create(string.Format(strReq, i));
// 注意这里的GetResponse是同步方法
var res = req.GetResponse();
Console.WriteLine("检索 {0} 的结果已经返回！", i);
res.Close();
}
Console.WriteLine("耗用时间：{0}毫秒", TimeSpan.FromTicks(DateTime.Now.Ticks - start.Ticks).TotalMilliseconds);
Console.ReadKey(true);
}
}
结果如下：总共消耗时间33秒多。
异步的方式如下：
public class CLRviaCSharp_21
{
static DateTime start;
static void Main(string[] args)
{
// 用百度分别检索1，2，3。。。9，共检索10次
start = DateTime.Now;
string strReq = "http://www.baidu.com/s?wd={0}";
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
var req = WebRequest.Create(string.Format(strReq, i));
// 注意这里的BeginGetResponse就是异步方法
var res = req.BeginGetResponse(ProcessWebResponse, req);
}
Console.ReadKey(true);
}
private static void ProcessWebResponse(IAsyncResult result)
{
var req = (WebRequest)result.AsyncState;
string strReq = req.RequestUri.AbsoluteUri;
using (var res = req.EndGetResponse(result))
{
Console.Write("检索 {0} 的结果已经返回！\t", strReq.Substring(strReq.Length - 1));
Console.WriteLine("耗用时间：{0}毫秒", TimeSpan.FromTicks(DateTime.Now.Ticks - start.Ticks).TotalMilliseconds);
}
}
}
结果如下：总共消耗的时间应该是下面所有时间中最长的那个，即9.5秒左右。
2. GUI中的APM
异步编程除了在服务端会大量应用，在有GUI的客户端也应用比较多（为了保证客户端的界面不会假死）。
但是Winform或WPF程序中，改变界面元素状态只有通过UI线程，其他线程如果试图改变UI元素，就会抛出异常(System.InvalidOperationException)。
using System;
using System.Windows.Forms;
using System.Net;
public class CLRviaCSharp_21
{
static void Main(string[] args)
{
MyWindowsForm mf = new MyWindowsForm();
mf.ShowDialog();
}
}
internal class MyWindowsForm : Form
{
public MyWindowsForm()
{
Text = "Click in the window to start a web request";
Width = 800;
Height = 600;
}
protected override void OnMouseClick(MouseEventArgs e)
{
// 开始异步web请求
Text = "web request initilized";
var webreq = WebRequest.Create("http://www.baidu.com");
webreq.BeginGetResponse(ProcessWebResponse, webreq);
base.OnMouseClick(e);
}
private void ProcessWebResponse(IAsyncResult result)
{
var req = (WebRequest)result.AsyncState;
using (var res = req.EndGetResponse(result))
{
// SynchronizationContext.Current.Post(updateUI, res);
// 这里改变UI元素Form的Text属性,抛出了异常
Text = "Content length: " + res.ContentLength;
}
}
}
那么其他线程如何改变UI元素呢。为了保证UI始终有响应，必须能够让其他线程也能改变UI元素。
答案就在上面代码中抛异常的上面一句代码。利用SynchronizationContext的Current属性来获取UI线程的同步上下文信息。
然后调用其Post方法，异步的更新UI元素。
using System;
using System.Windows.Forms;
using System.Net;
using System.Threading;
public class CLRviaCSharp_21
{
static void Main(string[] args)
{
MyWindowsForm mf = new MyWindowsForm();
mf.ShowDialog();
}
}
internal class MyWindowsForm : Form
{
public MyWindowsForm()
{
Text = "Click in the window to start a web request";
Width = 800;
Height = 600;
}
protected override void OnMouseClick(MouseEventArgs e)
{
// 开始异步web请求
Text = "web request initilized";
var webreq = WebRequest.Create("http://www.baidu.com");
webreq.BeginGetResponse(ProcessWebResponse, webreq);
base.OnMouseClick(e);
}
private void ProcessWebResponse(IAsyncResult result)
{
var req = (WebRequest)result.AsyncState;
using (var res = req.EndGetResponse(result))
{
SynchronizationContext.Current.Post(updateUI, res);
}
}
private void updateUI(object state)
{
var res = (WebResponse)state;
// 这里改变UI元素Form的Text属性, updateUI这个函数是由UI线程执行的
Text = "Content length: " + res.ContentLength;
}
}
这样的实现看着很繁琐，所以《CLR via C#》作者Jeffrey实现了一个小方法（SyncContextCallback）来简化这个步骤。
using System;
using System.Windows.Forms;
using System.Net;
using System.Threading;
public class CLRviaCSharp_21
{
static void Main(string[] args)
{
MyWindowsForm mf = new MyWindowsForm();
mf.ShowDialog();
}
}
internal class MyWindowsForm : Form
{
public MyWindowsForm()
{
Text = "Click in the window to start a web request";
Width = 800;
Height = 600;
}
protected override void OnMouseClick(MouseEventArgs e)
{
// 开始异步web请求
Text = "web request initilized";
var webreq = WebRequest.Create("http://www.baidu.com");
webreq.BeginGetResponse(SyncContextCallback(ProcessWebResponse), webreq);
base.OnMouseClick(e);
}
private void ProcessWebResponse(IAsyncResult result)
{
var req = (WebRequest)result.AsyncState;
using (var res = req.EndGetResponse(result))
{
// 这里改变UI元素Form的Text属性,
// 这次是在UI线程执行的，SyncContextCallback中获取了UI线程的同步上下文，
// 然后用Post方法调用了ProcessWebResponse函数
Text = "Content length: " + res.ContentLength;
}
}
// 大牛Jeffrey实现的SyncContextCallback方法
private static AsyncCallback SyncContextCallback(AsyncCallback callback)
{
SynchronizationContext sc = SynchronizationContext.Current;
// 如果没有同步上下文，直接返回传入的东西
if (sc == null) return callback;
// 返回一个委托，这个委托将委托Post到捕捉到的SC中
return asyncResult => sc.Post(result => callback((IAsyncResult)result), asyncResult);
}
}
3. APM的优劣点
上面两个例子，可以看出APM的一些优势，第一个例子说明异步的效率高。第二个GUI的例子说明异步可以增强用户体验。
其实APM的优势总结起来有以下几点：
- 资源利用率底(比如I/O并发读写时，线程不必等I/O完了就可以处理其他请求。这样几个线程就可以处理大量请求)
- 垃圾回收快(线程不用等待请求的操作完成就回线程池等待了，这时的线程在它们的栈顶，垃圾回收时遍历线程查找根比较快)
- 线程少，调试快(调试时，一旦遇到断点就会挂起所有线程。异步可以保证线程尽量少，所以调试时感觉会快)
- 使得GUI一直保持响应(上面的GUI例子可以说明)
- 并发执行下载，速度快(上面第一个例子可以说明)
当然，任何技术都不是完美的，有其适用的一面，也有其不适用的一面。
了解它的缺点，有时候甚至可以帮助我们更好的使用它。
APM的劣势主要有以下几点：
- 必须将代码分成多个回调方法(执行流程不直观)
- 避免使用实参和局部变量(实参和局部变量在回调方法中无法访问，记住回调方法在另一个线程中)
- 许多C#构造无法使用，比如try/catch/finally，using等(因为没法在一个方法中开始try，再在它的回调方法中完成finally)
- 有些功能很难实现，比如多个并发操作协作进行，取消和超时(比如上面例子中的更新GUI元素也很麻烦)
4. AMP使用中的注意事项
使用APM时以下几点需要注意：
- 不要提早调用End***方法，在回调函数中再调用End***(如果提早调用，异步操作没有完成，End***会一直等待，此时相当于同步调用)
- 调用End***且仅调用一次(异步操作初始化时分配的某些资源，必须调用End***才能释放。第二次调用End***时结果不可预测)
- 使用相同的对象调用Begin***方法和End***方法
- 在Begin***方法和End***方法中使用ref，out，params标记时需要注意(具体实现方法以后有空再补些例子:))
- 不能取消异步I/O操作(启动I/O操作后，控制权交给了I/O相关硬件)
- Begin***方法返回引用类型，无法返回值类型
- 用于打开文件的Win32 API(CreateFile)暂时没有异步的版本
- FileStream类在创建时就决定了是异步还是同步的方式(创建式指定异步标记，即使调用Read，也是通过Sleep来模拟同步。同样，指定了同步标记，调用BeginRead也是模拟的异步)