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C#中使用迭代器处理等待任务

介绍

可能你已经阅读 C#5 关于 async 和 await 关键字以及它们如何帮助简化异步编程的,可惜的是在升级VS2010后短短两年时间,任然没有准备好升级到VS2012,在VS2010和C#4中不能使用异步关键字,你可能会想 “如果我能在VS 2010中写看起来同步的方法,但异步执行.我的代码会更清晰.”

看完这篇文章后,您将能够做到这一点。我们将开发一个小的基础结构代码,让我们写"看起来同步的方法,但异步执行"的方法,这个VS2012 异步关键字一样, 享受C#5的特性.

我们必须承认,async 和 await 是非常好的语法糖,我们的方法需要编写更多的"AsyncResultcallback"方法适应这种变化.而当你终于升级到VS2012(或以后),这将是一件微不足道的小事,用C#关键字替换这个方法,只要简单的语法变化,而不是一个艰苦的结构重写。

概要

async/await 是基于异步任务模式的关键字。鉴于 此处已经有了非常完备的文档描述,这里我就不再加以说明。但必须指出的是,TAP简直帅到极点了!通过它你可以创建大量的将在未来某时间完成的小型单元工作(任务);任务可以启动其他的(嵌套)任务 并且/或者 建立一些仅当前置任务完成后才会启动的后续任务。前置与后续任务则可以链接为一对多或是多对一的关系。当内嵌任务完成时,父级任务无需与线程(重量级资源!)相绑定。执行任务时也不必再担心线程的时序安排,只需作出一些小小提示,框架将会自动为你处理这些事情。当程序开始运行,所有的任务将如溪流汇入大海般各自走向终点,又像柏青哥的小铁球一样相互反弹相互作用。

然而在C#4里面我们却没有async和await,不过缺少的也只是这一点点.Net5的新特性而已,这些新特性我们要么可以稍作回避,要么可以自己构建,关键的Task类型还是可用的。


在一个C#5的异步(async)方法里,你要等待一个Task。这不会导致线程等待;而是这个方法返回一个Task给它的调用者,这个Task能够等待(如果它自己是异步的)或者附上后续部分。(它同样能在任务中或它的结果中调用Wait(),但这会和线程耦合,所以避免那样做。)当等待的任务成功完成,你的异步方法会在它中断的地方继续运行。

也许你会知道,C#5的编译器会重写它的异步方法为一个生成的实现了状态机的嵌套类。C#正好还有一个特征(从2.0开始):迭代器(yield return 的方式)。这里的方法是使用一个迭代器方法在C#4中建造状态机,返回一系列在全部处理过程中的等待步骤的Task。我们可以编写一个方法接收一个从迭代器返回的任务的枚举,返回一个重载过的Task来代表全部序列的完成以及提供它的最终结果(如果有)。

最终目标

Stephen Covey 建议我们目标有先后。这就是我们现在做的。已经有大量例子来告诉我们如何使用async/await来实现SLAMs(synchronous-looking asynchronous methods)。那么我们不使用这些关键字如何实现这个功能。我们来做一个C#5 async的例子,看看如何在C#4里实现它。然后我们讨论一下转换这些代码的一般方法。

下面的例子展示了我们在C#5里实现异步读写方法Stream.CopyToAsync()的一种写法。假设这个方法并没有在.NET5里实现。

public static async Task CopyToAsync(
  this Stream input, Stream output,
  CancellationToken cancellationToken = default(CancellationToken))
{
  byte[] buffer = new byte[0x1000];  // 4 KiB
  while (true) {
    cancellationToken.ThrowIfCancellationRequested();
    int bytesRead = await input.ReadAsync(buffer, 0, buffer.Length);
    if (bytesRead == 0) break;
 
    cancellationToken.ThrowIfCancellationRequested();
    await output.WriteAsync(buffer, 0, bytesRead);
  }
}


对C#4,我们将分成两块:一个是相同访问能力的方法,另一个是私有方法,参数一样但返回类型不同。私有方法用迭代实现同样的处理,结果是一连串等待的任务(IEnumerable<Task>)。序列中的实际任务可以是非泛型或者不同类型泛型的任意组合。(幸运的是,泛型Task<T>类型是非泛型Task类型的子类型)

相同访问能力(公用)方法返回与相应async方法一致的类型:void,Task,或者泛型Task<T>。它将使用扩展方法调用私有迭代器并转化为Task或者Task<T>。

public static /*async*/ Task CopyToAsync(
  this Stream input, Stream output,
  CancellationToken cancellationToken = default(CancellationToken))
{
  return CopyToAsyncTasks(input, output, cancellationToken).ToTask();
}
private static IEnumerable<Task> CopyToAsyncTasks(
  Stream input, Stream output,
  CancellationToken cancellationToken)
{
  byte[] buffer = new byte[0x1000];  // 4 KiB
  while (true) {
    cancellationToken.ThrowIfCancellationRequested();
    var bytesReadTask = input.ReadAsync(buffer, 0, buffer.Length);
    yield return bytesReadTask;
    if (bytesReadTask.Result == 0) break;
 
    cancellationToken.ThrowIfCancellationRequested();
    yield return output.WriteAsync(buffer, 0, bytesReadTask.Result);
  }
}

异步方法通常以"Async"结尾命名(除非它是事件处理器如startButton_Click)。给迭代器以同样的名字后跟“Tasks”(如startButton_ClickTasks)。如果异步方法返回void值,它仍然会调用ToTask()但不会返回Task。如果异步方法返回Task<X>,那么它就会调用通用的ToTask<X>()扩展方法。对应三种返回类型,异步可替代的方法像下面这样:

public /*async*/ void DoSomethingAsync() {
  DoSomethingAsyncTasks().ToTask();
}
public /*async*/ Task DoSomethingAsync() {
  return DoSomethingAsyncTasks().ToTask();
}
public /*async*/ Task<String> DoSomethingAsync() {
  return DoSomethingAsyncTasks().ToTask<String>();
}

成对的迭代器方法不会更复杂。当异步方法等待非通用的Task时,迭代器简单的将控制权转给它。当异步方法等待task结果时,迭代器将task保存在一个变量中,转到该方法,之后再使用它的返回值。两种情况在上面的CopyToAsyncTasks()例子里都有显示。

对包含通用resultTask<X>的SLAM,迭代器必须将控制转交给确切的类型。ToTask<X>()将最终的task转换为那种类型以便提取其结果。经常的你的迭代器将计算来自中间task的结果数值,而且仅需要将其打包在Task<T>中。.NET 5为此提供了一个方便的静态方法。而.NET 4没有,所以我们用TaskEx.FromResult<T>(value)来实现它。

最后一件你需要知道的事情是如何处理中间返回的值。一个异步的方法可以从多重嵌套的块中返回;我们的迭代器简单的通过跳转到结尾来模仿它。


// C#5
public async Task<String> DoSomethingAsync() {
  while (…) {
    foreach (…) {
      return "Result";
    }
  }
}
 
// C#4; DoSomethingAsync() is necessary but omitted here.
private IEnumerable<Task> DoSomethingAsyncTasks() {
  while (…) {
    foreach (…) {
      yield return TaskEx.FromResult("Result");
      goto END;
    }
  }
END: ;
}

现在我们知道如何在C#4中写SLAM了,但是只有实现了FromResult<T>()和两个 ToTask()扩展方法才能真正的做到。下面我们开始做吧。

简单的开端

我们将在类System.Threading.Tasks.TaskEx下实现3个方法, 先从简单的那2个方法开始。FromResult()方法先创建了一个TaskCompletionSource(), 然后给它的result赋值,最后返回Task。

public static Task<TResult> FromResult<TResult>(TResult resultValue) {
  var completionSource = new TaskCompletionSource<TResult>();
  completionSource.SetResult(resultValue);
  return completionSource.Task;
}

很显然, 这2个ToTask()方法基本相同, 唯一的区别就是是否给返回对象Task的Result属性赋值. 通常我们不会去写2段相同的代码, 所以我们会用其中的一个方法来实现另一个。 我们经常使用泛型来作为返回结果集,那样我们不用在意返回值同时也可以避免在最后进行类型转换。 接下来我们先实现那个没有用泛型的方法。

private abstract class VoidResult { }
 
public static Task ToTask(this IEnumerable<Task> tasks) {
  return ToTask<VoidResult>(tasks);
}

目前为止我们就剩下一个 ToTask<T>()方法还没有实现。

第一次天真的尝试

对于我们第一次尝试实现的方法,我们将枚举每个任务的Wait()来完成,然后将最终的任务做为结果(如果合适的话)。当然,我们不想占用当前线程,我们将另一个线程来执行循环该任务。

// BAD CODE !
public static Task<TResult> ToTask<TResult>(this IEnumerable<Task> tasks)
{
  var tcs = new TaskCompletionSource<TResult>();
  Task.Factory.StartNew(() => {
    Task last = null;
    try {
      foreach (var task in tasks) {
        last = task;
        task.Wait();
      }
 
      // Set the result from the last task returned, unless no result is requested.
      tcs.SetResult(
        last == null || typeof(TResult) == typeof(VoidResult)
          ? default(TResult) : ((Task<TResult>) last).Result);
 
    } catch (AggregateException aggrEx) {
      // If task.Wait() threw an exception it will be wrapped in an Aggregate; unwrap it.
      if (aggrEx.InnerExceptions.Count != 1) tcs.SetException(aggrEx);
      else if (aggrEx.InnerException is OperationCanceledException) tcs.SetCanceled();
      else tcs.SetException(aggrEx.InnerException);
    } catch (OperationCanceledException cancEx) {
      tcs.SetCanceled();
    } catch (Exception ex) {
      tcs.SetException(ex);
    }
  });
  return tcs.Task;
}


这里有一些好东西,事实上它真的有用,只要不触及用户界面:
它准确的返回了一个TaskCompletionSource的Task,并且通过源代码设置了完成状态。

它显示了我们怎么通过迭代器的最后一个任务设置task的最终Result,同时避免可能没有结果的情况。 它从迭代器中捕获异常并设置Canceled或Faulted状态. 它也传播枚举的task状态 (这里是通过Wait(),该方法可能抛出一个包装了cancellation或fault的异常的集合).

但这里有些主要的问题。最严重的是:

由于迭代器需要实现“异步态的”的诺言,当它从一个UI线程初始化以后,迭代器的方法将能访问UI控件。你能发现这里的foreach循环都是运行在后台;从那个时刻开始不要触摸UI!这种方法没有顾及SynchronizationContext。 在UI之外我们也有麻烦。我们可能想制造大量大量的由SLAM实现的并行运行的Tasks。但是看看循环中的Wait()!当等待一个嵌套task时,可能远程需要一个很长的时间完成,我们会挂起一个线程。我们面临线程池的线程资源枯竭的情况。 这种解包Aggregate异常的方法是不太自然的。我们需要捕获并传播它的完成状态而不抛出异常。 有时SLAM可以立刻决定它的完成状态。那种情形下,C#5的async可以异步并且有效的操作。这里我们总是计划了一个后台task,因此失去了那种可能。

是需要想点办法的时候了!

连续循环

最大的想法是直接从迭代器中获取其所产生的第一个任务。 我们创建了一个延续,使其在完成时能够检查任务的状态并且(如果成功的话)能接收下一个任务和创建另一个延续直至其结束。(如果没有,即迭代器没有需要完成的需求。)


// 很牛逼,但是我们还没有。
public static Task<TResult> ToTask<TResult>(this IEnumerable<Task> tasks)
{
  var taskScheduler =
    SynchronizationContext.Current == null
      ? TaskScheduler.Default : TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext();
  var tcs = new TaskCompletionSource<TResult>();
  var taskEnumerator = tasks.GetEnumerator();
  if (!taskEnumerator.MoveNext()) {
    tcs.SetResult(default(TResult));
    return tcs.Task;
  }
 
  taskEnumerator.Current.ContinueWith(
    t => ToTaskDoOneStep(taskEnumerator, taskScheduler, tcs, t),
    taskScheduler);
  return tcs.Task;
}
private static void ToTaskDoOneStep<TResult>(
  IEnumerator<Task> taskEnumerator, TaskScheduler taskScheduler,
  TaskCompletionSource<TResult> tcs, Task completedTask)
{
  var status = completedTask.Status;
  if (status == TaskStatus.Canceled) {
    tcs.SetCanceled();
 
  } else if (status == TaskStatus.Faulted) {
    tcs.SetException(completedTask.Exception);
 
  } else if (!taskEnumerator.MoveNext()) {
    // 设置最后任务返回的结果,直至无需结果为止。
    tcs.SetResult(
      typeof(TResult) == typeof(VoidResult)
        ? default(TResult) : ((Task<TResult>) completedTask).Result);
 
  } else {
    taskEnumerator.Current.ContinueWith(
      t => ToTaskDoOneStep(taskEnumerator, taskScheduler, tcs, t),
      taskScheduler);
  }
}

这里有许多值得分享的:


我们的后续部分(continuations)使用涉及SynchronizationContext的TaskScheduler,如果有的话。这使得我们的迭代器在UI线程初始化以后,立刻或者在一个继续点被调用,去访问UI控件。
进程不中断的运行,因此没有线程挂起等待!顺便说一下,在ToTaskDoOneStep()中对自身的调用不是递归调用;它是在taskEnumerator.Currenttask结束后调用的匿名函数,当前活动在调用ContinueWith()几乎立刻退出,它完全独立于后续部分。
此外,我们在继续点中验证每个嵌套task的状态,不是检查一个预测值。


然而,这儿至少有一个大问题和一些小一点的问题。

如果迭代器抛出一个未处理异常,或者抛出OperationCanceledException而取消,我们没有处理它或设置主task的状态。这是我们以前曾经做过的但在此版本丢失了。
为了修复问题1,我们不得不在两个方法中调用MoveNext()的地方引入同样的异常处理机制。即使是现在,两个方法中都有一样的后续部分建立。我们违背了“不要重复你自己”的信条。

如果异步方法被期望给出一个结果,但是迭代器没有提供就退出了会怎么样呢?或者它最后的task是错误的类型呢?第一种情形下,我们默默返回默认的结果类型;第二种情形,我们抛出一个未处理的InvalidCastException,主task永远不会到达结束状态!我们的程序将永久的挂起。

最后,如果一个嵌套的task取消或者发生错误呢?我们设置主task状态,再也不会调用迭代器。可能是在一个using块,或带有finally的try块的内部,并且有一些清理要做。我们应当遵守过程在中断的时候使它结束,而不要等垃圾收集器去做这些。我们怎么做到呢?当然通过一个后续部分!

为了解决这些问题,我们从ToTask()中移走MoveNext()调用,取而代之一个对ToTaskDoOneStep()的初始化的同步调用。然后我们将在一个提防增加合适的异常处理。

最终版本

这里是ToTask<T>()的最终实现. 它用一个TaskCompletionSource返回主task,永远不会引起线程等待,如果有的话还会涉及SynchronizationContext,由迭代器处理异常,直接传播嵌套task的结束(而不是AggregateException),合适的时候向主task返回一个值,当期望一个结果而SLAM迭代器没有以正确的genericTask<T>类型结束时,用一个友好的异常报错。

public static Task<TResult> ToTask<TResult>(this IEnumerable<Task> tasks) {
  var taskScheduler =
    SynchronizationContext.Current == null
      ? TaskScheduler.Default : TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext();
  var taskEnumerator = tasks.GetEnumerator();
  var completionSource = new TaskCompletionSource<TResult>();
 
  // Clean up the enumerator when the task completes.
  completionSource.Task.ContinueWith(t => taskEnumerator.Dispose(), taskScheduler);
 
  ToTaskDoOneStep(taskEnumerator, taskScheduler, completionSource, null);
  return completionSource.Task;
}
 
private static void ToTaskDoOneStep<TResult>(
  IEnumerator<Task> taskEnumerator, TaskScheduler taskScheduler,
  TaskCompletionSource<TResult> completionSource, Task completedTask)
{
  // Check status of previous nested task (if any), and stop if Canceled or Faulted.
  TaskStatus status;
  if (completedTask == null) {
    // This is the first task from the iterator; skip status check.
  } else if ((status = completedTask.Status) == TaskStatus.Canceled) {
    completionSource.SetCanceled();
    return;
  } else if (status == TaskStatus.Faulted) {
    completionSource.SetException(completedTask.Exception);
    return;
  }
 
  // Find the next Task in the iterator; handle cancellation and other exceptions.
  Boolean haveMore;
  try {
    haveMore = taskEnumerator.MoveNext();
 
  } catch (OperationCanceledException cancExc) {
    completionSource.SetCanceled();
    return;
  } catch (Exception exc) {
    completionSource.SetException(exc);
    return;
  }
 
  if (!haveMore) {
    // No more tasks; set the result (if any) from the last completed task (if any).
    // We know it's not Canceled or Faulted because we checked at the start of this method.
    if (typeof(TResult) == typeof(VoidResult)) {    // No result
      completionSource.SetResult(default(TResult));
 
    } else if (!(completedTask is Task<TResult>)) {   // Wrong result
      completionSource.SetException(new InvalidOperationException(
        "Asynchronous iterator " + taskEnumerator +
          " requires a final result task of type " + typeof(Task<TResult>).FullName +
          (completedTask == null ? ", but none was provided." :
            "; the actual task type was " + completedTask.GetType().FullName)));
 
    } else {
      completionSource.SetResult(((Task<TResult>) completedTask).Result);
    }
 
  } else {
    // When the nested task completes, continue by performing this function again.
    taskEnumerator.Current.ContinueWith(
      nextTask => ToTaskDoOneStep(taskEnumerator, taskScheduler, completionSource, nextTask),
      taskScheduler);
  }
}

瞧! 现在你会在Visual Studio 2010中用没有async和await的 C#4 (或 VB10)写SLAMs(看起来同步的方法,但异步执行)。

有趣的地方

直到最后那个版本,我一直在给ToTask()传递一个CancellationTokenUp,并且将它传播进后续部分的ToTaskDoOneStep()。(这与本文毫不相关,所以我去掉了它们。你可以在样例代码中看注释掉的痕迹。)这有两个原因。第一,处理OperationCanceledException时,我会检查它的CancellationToken以确认它与这个操作是匹配的。如果不是,它将用一个错误来代替取消动作。虽然技术上没错,但不幸的是取消令牌可能会混淆,在其传递给ToTask()调用和后续部分之间的无关信息使它不值得。(如果你们这些 Task专家能给我一个注释里的可确认发生的好的用例,我会重新考虑)

第二个原因是我会检查令牌是否取消,在每次MoveNext()调用迭代器之前,立即取消主task时,和退出进程的时候。这使你可以不经过迭代器检查令牌,具有取消的行为。我不认为这是要做的正确事情(因为对一个异步进程在yield return处取消是不合适的)——更可能是它完全在迭代器进程控制之下——但我想试试。它无法工作。我发现在某些情形,task会取消而却后续部分不会触发。请看样例代码;我靠继续执行来恢复按钮可用,但它没有发生因此按钮在进程结束之后仍不可用。我在样例代码中留下了注释掉的取消检测;你可以将取消令牌的方法参数放回去并测试它。(如果你们Task专家能解释为什么会是这种情形,我将很感激!)

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