【转】1.6异步编程：IAsyncResult异步编程模型 (APM)
傳送門：異步編程系列目錄……
?????????大部分開發(fā)人員，在開發(fā)多線程應(yīng)用程序時，都是使用ThreadPool的QueueUserWorkItem方法來發(fā)起一次簡單的異步操作。然而，這個技術(shù)存在許多限制。最大的問題是沒有一個內(nèi)建的機(jī)制讓你知道操作在什么時候完成，也沒有一個機(jī)制在操作完成時獲得一個返回值。為了克服這些限制（并解決其他一些問題），Microsoft引入了三種異步編程模式：
1.?????????.NET1.0異步編程模型?(APM)，基于IAsyncResult接口實(shí)現(xiàn)。
2.?????????.NET2.0基于事件的異步編程模式(EAP)，基于事件實(shí)現(xiàn)。
3.?????????.NET4.X基于任務(wù)的異步編程模式(TPL->TAP)，新型異步編程模式，對于.NET4.0之后的異步構(gòu)造都推薦使用此模式
盡管在新的設(shè)計(jì)上我們推薦都使用“.NET4.0基于任務(wù)的編程模式”，但我還是計(jì)劃整理出舊版的異步編程模型，因?yàn)?#xff1a;
1.?????????在一些特殊場合下我們可能覺得一種模式更適合；
2.?????????可以更充分認(rèn)識三種模式之間的優(yōu)劣，便于選擇；
3.?????????很多遺留的代碼包含了舊的設(shè)計(jì)模式；
4.?????????等等…
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示例下載：異步編程：IAsyncResult異步編程模型.rar
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IAsyncResult設(shè)計(jì)模式----規(guī)范概述
使用IAsyncResult設(shè)計(jì)模式的異步操作是通過名為?Begin***?和?End***?的兩個方法來實(shí)現(xiàn)的，這兩個方法分別指代開始和結(jié)束異步操作。例如，FileStream類提供BeginRead和EndRead方法來從文件異步讀取字節(jié)。這兩個方法實(shí)現(xiàn)了?Read?方法的異步版本。
在調(diào)用?Begin***?后，應(yīng)用程序可以繼續(xù)在調(diào)用線程上執(zhí)行指令，同時異步操作在另一個線程上執(zhí)行。（如果有返回值還應(yīng)調(diào)用?End***?來獲取操作的結(jié)果）。
1)?????????Begin***
a)?????????Begin***?方法帶有該方法的同步版本簽名中聲明的任何參數(shù)。
b)?????????Begin***?方法簽名中不包含任何輸出參數(shù)。方法簽名最后兩個參數(shù)的規(guī)范是：第一個參數(shù)定義一個AsyncCallback委托，此委托引用在異步操作完成時調(diào)用的方法。第二個參數(shù)是一個用戶定義的對象。此對象可用來向異步操作完成時為AsyncCallback委托方法傳遞應(yīng)用程序特定的狀態(tài)信息（eg：可通過此對象在委托中訪問End***?方法)。另外，這兩個參數(shù)都可以傳遞null。
c)?????????返回IAsyncResult對象。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | // 表示異步操作的狀態(tài)。 [ComVisible(true)] public?interface?IAsyncResult { ????// 獲取用戶定義的對象，它限定或包含關(guān)于異步操作的信息。 ????object?AsyncState { get; } ????// 獲取用于等待異步操作完成的System.Threading.WaitHandle，待異步操作完成時獲得信號。 ????WaitHandle AsyncWaitHandle { get; } ????// 獲取一個值，該值指示異步操作是否同步完成。 ????bool?CompletedSynchronously { get; } ????// 獲取一個值，該值指示異步操作是否已完成。 ????bool?IsCompleted { get; } } ? // 常用委托聲明（我后面示例是使用了自定義的帶ref參數(shù)的委托） public?delegate?void?AsyncCallback(IAsyncResult ar) |
2)?????????End***
a)?????????End***?方法可結(jié)束異步操作，如果調(diào)用?End***?時，IAsyncResult對象表示的異步操作還未完成，則?End***?將在異步操作完成之前阻塞調(diào)用線程。
b)?????????End***?方法的返回值與其同步副本的返回值類型相同。End***?方法帶有該方法同步版本的簽名中聲明的所有out?和?ref?參數(shù)以及由BeginInvoke返回的IAsyncResult，規(guī)范上?IAsyncResult?參數(shù)放最后。
?????????????????????????i.??????????????要想獲得返回結(jié)果，必須調(diào)用的方法;
???????????????????????ii.??????????????若帶有out?和?ref?參數(shù)，實(shí)現(xiàn)上委托也要帶有out?和?ref?參數(shù)，以便在回調(diào)中獲得對應(yīng)引用傳參值做相應(yīng)邏輯;
3)?????????總是調(diào)用?End***()?方法，而且只調(diào)用一次
以下理由都是針對“I/O限制”的異步操作提出。然而，對于計(jì)算限制的異步操作，盡管都是用戶代碼，但還是推薦遵守此規(guī)則。
I/O限制的異步操作：比如像帶FileOptions.Asynchronous標(biāo)識的FileStream，其BeginRead()方法向Windows發(fā)送一個I/O請求包（I/O Request Packet，IRP）后方法不會阻塞線程而是立即返回，由Windows將IRP傳送給適當(dāng)?shù)脑O(shè)備驅(qū)動程序，IRP中包含了為BeginRead()方法傳入的回調(diào)函數(shù)，待硬件設(shè)備處理好IRP后，會將IRP的委托排隊(duì)到CLR的線程池隊(duì)列中。
必須調(diào)用End***方法，否則會造成資源的泄露。有的開發(fā)人員寫代碼調(diào)用Begin***方法異步執(zhí)行I/O限制后就不需要進(jìn)行任何處理了，所以他們不關(guān)心End***方法的調(diào)用。但是，出于以下兩個原因，End***方法是必須調(diào)用的：
a)?????????在異步操作時，對于I/O限制操作，CLR會分配一些內(nèi)部資源，操作完成時，CLR繼續(xù)保留這些資源直至End***方法被調(diào)用。如果一直不調(diào)用End***，這些資源會直到進(jìn)程終止時才會被回收。（End***方法設(shè)計(jì)中常常包含資源釋放）
b)?????????發(fā)起一個異步操作時，實(shí)際上并不知道該操作最終是成功還是失敗（因?yàn)椴僮饔捎布趫?zhí)行）。要知道這一點(diǎn)，只能通過調(diào)用End***方法，檢查它的返回值或者看它是否拋出異常。
另外，需要注意的是I/O限制的異步操作完全不支持取消（因?yàn)椴僮饔捎布?zhí)行），但可以設(shè)置一個標(biāo)識，在完成時丟棄結(jié)果來模擬取消行為。
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現(xiàn)在我們清楚了IAsyncResult設(shè)計(jì)模式的設(shè)計(jì)規(guī)范，接下來我們再通過IAsyncResult異步編程模式的三個經(jīng)典場合來加深理解。
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一、基于IAsyncResult構(gòu)造一個異步API
?????????現(xiàn)在來構(gòu)建一個IAsyncResult的類，并且實(shí)現(xiàn)異步調(diào)用。
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?????????使用上面通過IAsyncResult設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)的帶ref引用參數(shù)的異步操作，我將展示三種阻塞式響應(yīng)異步調(diào)用和一種無阻塞式委托響應(yīng)異步調(diào)用。即：
1.?????????執(zhí)行異步調(diào)用后，若我們需要控制后續(xù)執(zhí)行代碼在異步操作執(zhí)行完之后執(zhí)行，可通過下面三種方式阻止其他工作：（當(dāng)然我們不推薦你阻塞線程或輪詢浪費(fèi)CPU時間）
a)?????????IAsyncResult的AsyncWaitHandle屬性，待異步操作完成時獲得信號。
b)?????????通過IAsyncResult的IsCompleted屬性進(jìn)行輪詢。
c)?????????調(diào)用異步操作的?End***?方法。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 | /// <summary> /// APM 阻塞式異步響應(yīng) /// </summary> public?class?Calculate_For_Break { ????public?static?void?Test() ????{ ????????CalculateLib cal = new?CalculateLib(); ? ????????// 基于IAsyncResult構(gòu)造一個異步API?? （回調(diào)參數(shù)和狀態(tài)對象都傳遞null） ????????IAsyncResult calculateResult = cal.BeginCalculate(123, 456, null, null); ????????// 執(zhí)行異步調(diào)用后，若我們需要控制后續(xù)執(zhí)行代碼在異步操作執(zhí)行完之后執(zhí)行，可通過下面三種方式阻止其他工作： ????????// 1、IAsyncResult 的 AsyncWaitHandle 屬性，帶異步操作完成時獲得信號。 ????????// 2、通過 IAsyncResult 的 IsCompleted 屬性進(jìn)行輪詢。通過輪詢還可實(shí)現(xiàn)進(jìn)度條功能。 ????????// 3、調(diào)用異步操作的 End*** 方法。 ????????// *********************************************************** ????????// 1、calculateResult.AsyncWaitHandle.WaitOne(); ????????// 2、while (calculateResult.IsCompleted) { Thread.Sleep(1000); } ????????// 3、 ????????string?resultStr = string.Empty; ????????int?result = cal.EndCalculate(ref?resultStr, calculateResult); ????} } |
2.?????????執(zhí)行異步調(diào)用后，若我們不需要阻止后續(xù)代碼的執(zhí)行，那么我們可以把異步執(zhí)行操作后的響應(yīng)放到回調(diào)中進(jìn)行。（推薦使用無阻塞式回調(diào)模式）
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 | /// <summary> /// APM 回調(diào)式異步響應(yīng) /// </summary> public?class?Calculate_For_Callback { ????public?static?void?Test() ????{ ????????CalculateLib cal = new?CalculateLib(); ? ????????// 基于IAsyncResult構(gòu)造一個異步API ????????IAsyncResult calculateResult = cal.BeginCalculate(123, 456, AfterCallback, cal); ????} ? ????/// <summary> ????/// 異步操作完成后做出響應(yīng) ????/// </summary> ????private?static?void?AfterCallback(ref?string?resultStr, IAsyncResult ar) ????{ ????????// 執(zhí)行異步調(diào)用后，若我們不需要阻止后續(xù)代碼的執(zhí)行，那么我們可以把異步執(zhí)行操作后的響應(yīng)放到回調(diào)中進(jìn)行。 ????????CalculateLib cal = ar.AsyncState as?CalculateLib; ????????cal.EndCalculate(ref?resultStr, ar); ????????// 再根據(jù)resultStr值做邏輯。 ????} } |
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二、使用委托進(jìn)行異步編程
對于委托，編譯器會為我們生成同步調(diào)用方法“invoke”以及異步調(diào)用方法“BeginInvoke”和“EndInvoke”。對于異步調(diào)用方式，公共語言運(yùn)行庫?(CLR)?將對請求進(jìn)行排隊(duì)并立即返回到調(diào)用方，由線程池的線程調(diào)度目標(biāo)方法并與提交請求的原始線程并行運(yùn)行，為BeginInvoke()方法傳入的回調(diào)方法也將在同一個線程上運(yùn)行。
異步委托是快速為方法構(gòu)建異步調(diào)用的方式，它基于IAsyncResult設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)的異步調(diào)用，即，通過BeginInvoke返回IAsyncResult對象；通過EndInvoke獲取結(jié)果值。
示例：
上節(jié)的CalculateLib類中的同步方法以及所要使用到的委托如下：
| 1 2 3 4 5 6 7 | // 帶ref參數(shù)的自定義委托 public?delegate?int?AsyncInvokeDel(int?num1, int?num2, ref?string?resultStr); public?int?Calculate(int?num1, int?num2, ref?string?resultStr) { ????resultStr = (num1 * num2).ToString(); ????return?num1 * num2; } |
然后，通過委托進(jìn)行同步或異步調(diào)用：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | /// <summary> /// 使用委托進(jìn)行異步調(diào)用 /// </summary> public?class?Calculate_For_Delegate { ????public?static?void?Test() ????{ ????????CalculateLib cal = new?CalculateLib(); ? ????????// 使用委托進(jìn)行同步或異步調(diào)用 ????????AsyncInvokeDel calculateAction = cal.Calculate; ????????string?resultStrAction = string.Empty; ????????// int result1 = calculateAction.Invoke(123, 456); ????????IAsyncResult calculateResult1 = calculateAction.BeginInvoke(123, 456, ref?resultStrAction, null, null); ????????int?result1 = calculateAction.EndInvoke(ref?resultStrAction, calculateResult1); ????} } |
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三、多線程操作控件
訪問?Windows?窗體控件本質(zhì)上不是線程安全的。如果有兩個或多個線程操作某一控件的狀態(tài)，則可能會迫使該控件進(jìn)入一種不一致的狀態(tài)。還可能出現(xiàn)其他與線程相關(guān)的?bug，包括爭用情況和死鎖。確保以線程安全方式訪問控件非常重要。
不過，在有些情況下，您可能需要多線程調(diào)用控件的方法。.NET Framework?提供了從任何線程操作控件的方式：
1.?????????非安全方式訪問控件（此方式請永遠(yuǎn)不要再使用）
多線程訪問窗口中的控件，可以在窗口的構(gòu)造函數(shù)中將Form的CheckForIllegalCrossThreadCalls靜態(tài)屬性設(shè)置為false。
| 1 2 3 4 | // 獲取或設(shè)置一個值，該值指示是否捕獲對錯誤線程的調(diào)用， // 這些調(diào)用在調(diào)試應(yīng)用程序時訪問控件的System.Windows.Forms.Control.Handle屬性。 // 如果捕獲了對錯誤線程的調(diào)用，則為 true；否則為 false。 public?static?bool?CheckForIllegalCrossThreadCalls { get; set; } |
2.?????????安全方式訪問控件
原理：從一個線程封送調(diào)用并跨線程邊界將其發(fā)送到另一個線程，并將調(diào)用插入到創(chuàng)建控件線程的消息隊(duì)列中,當(dāng)控件創(chuàng)建線程處理這個消息時,就會在自己的上下文中執(zhí)行傳入的方法。（此過程只有調(diào)用線程和創(chuàng)建控件線程，并沒有創(chuàng)建新線程）
注意：從一個線程封送調(diào)用并跨線程邊界將其發(fā)送到另一個線程會耗費(fèi)大量的系統(tǒng)資源，所以應(yīng)避免重復(fù)調(diào)用其他線程上的控件。
1)?????????使用BackgroundWork后臺輔助線程控件方式（詳見：基于事件的異步編程模式(EMP)）。
2)?????????結(jié)合TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext()?和Task?實(shí)現(xiàn)。
3)?????????捕獲線程上下文ExecuteContext，并調(diào)用ExeceteContext.Run()靜態(tài)方法在指定的線程上下文中執(zhí)行。（詳見：執(zhí)行上下文）
4)?????????使用Control類上提供的Invoke?和BeginInvoke方法。
5)?????????在WPF應(yīng)用程序中可以通過WPF提供的Dispatcher對象提供的Invoke方法、BeginInvoke方法來完成跨線程工作。
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因本文主要解說IAsyncResult異步編程模式，所以只詳細(xì)分析Invoke?和BeginInvoke跨線程訪問控件方式。
?????????Control類實(shí)現(xiàn)了ISynchronizeInvoke接口，提供了Invoke和BeginInvoke方法來支持其它線程更新GUI界面控件的機(jī)制。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | public?interface?ISynchronizeInvoke { ????// 獲取一個值，該值指示調(diào)用線程是否與控件的創(chuàng)建線程相同。 ????bool?InvokeRequired { get; } ????// 在控件創(chuàng)建的線程上異步執(zhí)行指定委托。 ????AsyncResult BeginInvoke(Delegate method, params?object[] args); ????object?EndInvoke(IAsyncResult asyncResult); ????// 在控件創(chuàng)建的線程上同步執(zhí)行指定委托。 ????object?Invoke(Delegate method, params?object[] args); } |
1)?????????Control類的?Invoke,BeginInvoke?內(nèi)部實(shí)現(xiàn)如下:
a)?????????Invoke????????????????（同步調(diào)用）先判斷控件創(chuàng)建線程與當(dāng)前線程是否相同，相同則直接調(diào)用委托方法；否則使用Win32API的PostMessage?異步執(zhí)行,但是 Invoke 內(nèi)部會調(diào)用IAsyncResult.AsyncWaitHandle等待執(zhí)行完成。
b)?????????BeginInvoke?????（異步調(diào)用）使用Win32API的PostMessage?異步執(zhí)行，并且返回 IAsyncResult 對象。
| 1 2 3 4 | UnsafeNativeMethods.PostMessage(new?HandleRef(this, this.Handle) ??????????????????, threadCallbackMessage, IntPtr.Zero, IntPtr.Zero); [DllImport("user32.dll", CharSet=CharSet.Auto)] public?static?extern?bool?PostMessage(HandleRefhwnd, intmsg, IntPtrwparam, IntPtrlparam); |
PostMessage?是windows api，用來把一個消息發(fā)送到一個窗口的消息隊(duì)列。這個方法是異步的，也就是該方法封送完畢后馬上返回，不會等待委托方法的執(zhí)行結(jié)束，調(diào)用者線程將不會被阻塞。（對應(yīng)同步方法的windows api是：SendMessage()；消息隊(duì)列里的消息通過調(diào)用GetMessage和PeekMessage取得）
2)?????????InvokeRequired
獲取一個值，該值指示調(diào)用線程是否與控件的創(chuàng)建線程相同。內(nèi)部關(guān)鍵如下：
| 1 2 3 | Int windowThreadProcessId = SafeNativeMethods.GetWindowThreadProcessId(ref2, out?num); Int currentThreadId = SafeNativeMethods.GetCurrentThreadId(); return?(windowThreadProcessId != currentThreadId); |
即返回“通過GetWindowThreadProcessId功能函數(shù)得到創(chuàng)建指定窗口線程的標(biāo)識和創(chuàng)建窗口的進(jìn)程的標(biāo)識符與當(dāng)前線程Id進(jìn)行比較”的結(jié)果。
3)?????????示例(詳見示例文件)
在使用的時候，我們使用?this.InvokeRequired?屬性來判斷是使用Invoke或BeginInvoke?還是直接調(diào)用方法。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | private?void?InvokeControl(object?mainThreadId) { ????if?(this.InvokeRequired) ????{ ????????this.Invoke(new?Action<String>(ChangeText), "InvokeRequired = true.改變控件Text值"); ????????//this.textBox1.Invoke(new Action<int>(InvokeCount), (int)mainThreadId); ????} ????else ????{ ????????ChangeText("在創(chuàng)建控件的線程上，改變控件Text值"); ????} } ? private?void?ChangeText(String str) { ????this.textBox1.Text += str; } |
?????????注意，在InvokeControl方法中使用?this.Invoke(Delegate del)?和使用?this.textBox1.Invoke(Delegate del)?效果是一樣的。因?yàn)樵趫?zhí)行Invoke或BeginInvoke時，內(nèi)部首先調(diào)用?FindMarshalingControl()?進(jìn)行一個循環(huán)向上回溯，從當(dāng)前控件開始回溯父控件，直到找到最頂級的父控件，用它作為封送對象。也就是說?this.textBox1.Invoke(Delegate del)?會追溯到和?this.Invoke(Delegate del)?一樣的起點(diǎn)。（子控件的創(chuàng)建線程一定是創(chuàng)建父控件的線程，所以這種追溯不會導(dǎo)致將調(diào)用封送到錯誤的目的線程）
4)?????????異常信息："在創(chuàng)建窗口句柄之前,不能在控件上調(diào)用?Invoke?或?BeginInvoke"
a)?????????可能是在窗體還未構(gòu)造完成時，在構(gòu)造函數(shù)中異步去調(diào)用了Invoke?或BeginInvoke；
b)?????????可能是使用輔助線程創(chuàng)建一個窗口并用Application.Run()去創(chuàng)建句柄，在句柄未創(chuàng)建好之前調(diào)用了Invoke?或BeginInvoke。（此時新建的窗口相當(dāng)于開了另一個進(jìn)程，并且為新窗口關(guān)聯(lián)的輔助線程開啟了消息循環(huán)機(jī)制），類似下面代碼：
| 1 2 3 4 5 | new?Thread((ThreadStart)delegate ????{ ????????WaitBeforeLogin = new?Form2(); ????????Application.Run(WaitBeforeLogin); ????}).Start(); |
解決方案：在調(diào)用Invoke?或?BeginInvoke之前輪詢檢查窗口的IsHandleCreated屬性。
| 1 2 3 | // 獲取一個值，該值指示控件是否有與它關(guān)聯(lián)的句柄。 public?bool?IsHandleCreated { get; } while?(!this.IsHandleCreated) { …… } |
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??? 本節(jié)到此結(jié)束，本節(jié)主要講了異步編程模式之一“異步編程模型（APM）”，是基于IAsyncResult設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)的異步編程方式，并且構(gòu)建了一個繼承自IAsyncResult接口的示例，及展示了這種模式在委托及跨線程訪問控件上的經(jīng)典應(yīng)用。下一節(jié)中，我將為大家介紹基于事件的編程模型……
??? 感謝大家的觀看，如覺得文章不錯還請多多推薦……
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參考：MSDN
??????????????書籍：《CLR via C#(第三版)》
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作者：滴答的雨
出處：http://www.cnblogs.com/heyuquan/
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的【转】1.6异步编程：IAsyncResult异步编程模型 (APM)的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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