ExecutionContext(執行上下文)綜述

来源:https://www.cnblogs.com/BigBrotherStone/archive/2020/02/16/12316599.html

" 返回《C 併發編程》" "1. 簡介" "2. 同步非同步對比" "3. 上下文的捕獲和恢復" "4. Flowing ExecutionContext vs Using SynchronizationContext" "5. 如何適用於 async/await" "5.1. 實現方式" "5.1 ...


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1. 簡介

註意: 本篇文章講述的是在 .Net Framework 環境下的分析, 但是我相信這與 .Net Core 設計思想是一致,但在實現上一定優化了很多。

下麵開始本次講述:

ExecutionContext 實際上只是線程相關其他上下文的容器。

  • 有些上下文起輔助作用
  • 有些上下文對 .Net 執行模型至關重要

ExecutionContext周圍環境的信息有關,這意味著,代碼正在運行時,它存儲了與 當前環境 或 “context” 有關的數據。

周圍環境: 代碼執行處,可以訪問到的變數、方法、屬性等等。

2. 同步非同步對比

同步世界

  • 在許多系統中,此類“周圍”的信息在線程本地存儲(TLS)中維護,例如在 [ThreadStatic] 欄位或 ThreadLocal<T> 中。
    • 同步世界中,這樣的 thread-local 信息就足夠了。
      • 任何事情發生在該線程上,也就是不管在該線程上所處的堆棧結構是什麼,正在執行什麼方法,等等。
      • 所有在該線程上運行的代碼都可以查看影響該線程特有的數據。

非同步世界,TLS變得無關緊要,同步非同步對比:

  • 同步
    • 例如:
      • 如果我先執行操作 A
      • 然後執行操作 B
      • 然後執行操作 C
    • 則所有這三個操作都在同一線程上發生
    • 因此所有這三個操作都受該線程上存儲的周圍環境數據的影響。
  • 非同步
    • 例如:
      • 我可能在一個線程上啟動 A
      • 然後在另一個線程上完成它
        • 這樣操作 B 可以在不同於 A 的線程上啟動或運行
        • 並且類似地使 C 可以在不同於 B 的線程上啟動或運行。
    • 這意味著我們用來控制執行細節的周圍環境context不再可行,因為TLS不會“流”過這些非同步點。
    • Thread-local 存儲特定於線程,這些非同步操作並不與特定線程相關聯。
    • 但是,通常存在邏輯控制流,我們希望這些周圍環境的數據與該控制流一起流動,以使周圍環境的數據從一個線程移動到另一個線程
    • 這就 需要 ExecutionContext 來完成這些操作。

3. 上下文的捕獲和恢復

ExecutionContext 實際上是一個 state 包

  • 用於從一個線程上捕獲所有 state
  • 然後在控制邏輯流的同時將其還原到另一個線程

ExecutionContext 是使用靜態方法 Capture 捕獲的:

// 周圍環境的 state 捕獲到 ec 中
ExecutionContext ec = ExecutionContext.Capture();

通過靜態方法 Run ,在委托(Run方法的參數)調用時恢復 ExecutionContext

ExecutionContext.Run(ec, delegate
{
    … // 這裡的代碼將上述 ec 的狀態視為周圍環境
}, null);

所有派生非同步工作的方法都以這種方式捕獲還原 ExecutionContext 的。

  • 帶有“Unsafe”字樣的方法除外,它們是不安全的,因為它們不傳播 ExecutionContext

例如:

  • 當您使用 Task.Run 時,對 Run 的調用將從調用線程捕獲 ExecutionContext ,並將該 ExecutionContext 實例存儲到 Task 對象中
  • 當提供給 Task.Run 的委托作為該 Task 執行的一部分被調用時,它是使用存儲的 ExecutionContext 通過 ExecutionContext.Run 來完成的

以下所有非同步API的執行都是捕獲 ExecutionContext 並將其存儲,然後在調用某些代碼時再使用存儲的 ExecutionContext

  • Task.Run
  • ThreadPool.QueueUserWorkItem
  • Delegate.BeginInvoke
  • Stream.BeginRead
  • DispatcherSynchronizationContext.Post
  • 任何其他非同步API

當我們談論“flowing ExecutionContext”時,我們實際上是在討論:

  • 在一個線程上獲取周圍環境狀態
  • 在稍後的某個時刻將該狀態恢復到另一個線程上(需要執行提供的委托的線程)。

4. Flowing ExecutionContext vs Using SynchronizationContext

前面我們介紹了 SynchronizationContext 是如何調度線程的,現在,我們要進行進行一次對比:

  • flowing ExecutionContext 在語義上與 capturing and posting to a SynchronizationContext 完全不同。
  • ExecutionContext 流動時,您是從一個線程捕獲 state ,然後還原該 state
    • 使提供的委托執行時處於周圍環境 state
  • 當您捕獲使用 SynchronizationContext 時,不會發生這種情況。
    • 捕獲部分是相同的,因為您要從當前線程中獲取數據,但是隨後用不同方式使用 state
    • SynchronizationContext.Post 只是使用捕獲的狀態來調用委托,而不是在調用委托時設置該狀態為當前狀態
      • 委托在何時何地以及如何運行完全取決Post方法的實現

5. 如何適用於 async/await

asyncawait 關鍵字背後的框架支持會自動與 ExecutionContextSynchronizationContext 交互。

每當代碼等待一個可等待項(awaitable),該可等待項(awaitable)等待者(awaiter) 說尚未完成時

  • 等待者(awaiter)IsCompleted 返回 false

則該方法需要暫停,並通過等待者(awaiter)continuation 來恢復。

等待者(awaiter) : 可以理解為 await 產生的 Task對象

5.1. 實現方式

5.1.1. ExecutionContext

  • 前面已經提到過了, ExecutionContext 需要從發出 await 的代碼一直流到 continuation 委托的執行。
    • 這是由框架自動處理的
    • async 方法即將掛起時,基礎設施將捕獲 ExecutionContext
    • 得到的委托交給等待者(awaiter) ,而且此等待者(awaiter) 具有對此 ExecutionContext 實例的引用,並將在恢復該方法時使用它。
  • ExecutionContext 帶領,啟用重要的周圍環境信息,去流過 awaits

5.1.2. SynchronizationContext

該框架還支持 SynchronizationContext 。前述對 ExecutionContext 的支持內置於表示 async 方法的“構建器”中

  • 例如 System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder
  • await / async 會被編譯成執行碼

並且這些構建器可確保 ExecutionContextawait 點流動,無論使用哪種可等待項(awaitable)

相反,對 SynchronizationContext 的支持內置在 awaiting 的且已經構建好的TaskTask<TResult>

自定義的等待者(awaiter) (比如 new Task(...))可以自己添加類似的邏輯,但是不會自動獲得實例化時的SynchronizationContext

  • 這是設計使然,因為能夠自定義何時以及如何調用 continuation 是自定義Task有用的一部分原因。

5.2. 執行過程

5.2.1. SynchronizationContext 使用和控制

  • 當您 await 一個 task 時,預設情況下,等待者(awaiter) 將捕獲當前的 SynchronizationContext(如果有的話)
  • task 完成時將 Post 這個前面提供的 continuation 委托並回到該 context 進行執行
    • 運行委托的:不是在完成了 task 的線程上,也不是在 ThreadPool 的線程上

如果開發人員不希望這種封送處理行為,則可以通過更改在那裡使用的 可等待項(awaitable) / 等待者(awaiter) 來控制它。

  • 大多數情況,等待 TaskTask<TResult> 就時採用上述方式
  • 可以通過 await 方法 task.ConfigureAwait(…)的返回值來修改這種封送處理行為
    • ConfigureAwait() 返回一個 可等待項(awaitable),它可以抑制此預設的封送處理行為。
    • ConfigureAwait() 的唯一 bool 類型參數 continueOnCapturedContext
      • true ,那麼將獲得預設行為;
      • false ,則等待者(awaiter) 不檢查 SynchronizationContext ,就像沒有一樣
    • 註意: 當等待的任務完成時,無論 ConfigureAwait 如何,在恢復執行的線程上,運行時都會檢查當前的 context ,以確定:
      • continuation 是否可以在此處同步運行
      • continuation 是否必須從此處開始非同步調度(scheduled asynchronously)

5.2.2. ExecutionContext 的流動無法控制

儘管 ConfigureAwait 提供了,用於改變 SynchronizationContext 行為的、顯示的、與 await 相關的編程模型,但是沒有用於抑制 ExecutionContext 流動的、與 await 相關的編程模型支持。

  • 這是故意的
  • 開發人員在編寫非同步代碼時不必擔心 ExecutionContext
  • 它在基礎架構級別上的支持,有助於在非同步環境中模擬同步方式的語義(即TLS);

6. 兩者的關係

7. 說明

SynchronizationContext 不是 ExecutionContext 的一部分嗎?

  • ExecutionContext 能夠帶著所有的上下文(例如 SecurityContextHostExecutionContextCallContext 等)流動
    • 確實也包括 SynchronizationContext
  • 我個人認為,這是API設計的一個錯誤,自從它在許多版本的.NET中提出以來,就引起了一些問題
  • 註意這個問題在 .Net Core 已經解決
    • .Net Core 中的 ExecutionContext 已不包含任何其他 context

當您調用公共 ExecutionContext.Capture() 方法時,它將檢查當前的 SynchronizationContext ,如果有,則將其存儲到返回的 ExecutionContext 實例中。然後,當使用公共 ExecutionContext.Run(...) 方法時,在提供的委托執行期間,該捕獲的 SynchronizationContext 被恢復為 Current

為什麼這有問題?作為 ExecutionContext 的一部分而流動的 SynchronizationContext 更改了 SynchronizationContext.Current 的含義。

應該可以通過 SynchronizationContext.Current 返回到你最近調用 Current 時的環境

  • 因此,如果 SynchronizationContext 流出,成為另一個線程的當前 SynchronizationContext ,則 SynchronizationContext.Current 就沒有意義了,所以不是這樣設計的

7.1. 示例

解釋此問題的一個示例,代碼如下:

private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    button1.Text = await Task.Run(async delegate
    {
        string data = await DownloadAsync();
        return Compute(data);
    });
}

7.1.1. 運行過程解析

  • 用戶單擊 button1 ,導致UI框架在UI線程上調用 button1_Click 事件;
  • 然後,代碼啟動一個 WorkItemThreadPool 上運行(通過Task.Run);
    • WorkItemThreadPool介紹-非同步調用方法 中提到;
    • 這個 WorkItem 開始一些下載工作,並非同步等待其完成;
    • 在下載完成之後,ThreadPool 上的 WorkItem 進行一些密集型操作(Compute(data));
    • 返回結果
  • WorkItem 執行完成後,導致正在 UI線程等待Task 完成
  • (下載得到結果,返回結果),成為 UI線程 等待完成的 ;
  • 然後,UI線程 處理 button1_Click 方法的剩餘部分: 保存計算結果到 button1.Text 屬性。

7.1.2. 帶來的思考

如果 SynchronizationContext 不作為 ExecutionContext 的一部分流動,我的預期就是有根據的。

如果 SynchronizationContext 流動了,無論如何,我將感到非常失望。

假設SynchronizationContext 作為 ExecutionContext 的一部分流動:

  • Task.Run 在調用時捕獲 ExecutionContext ,並使用它運行傳遞給它委托。
  • 這就意味著 Task.Run 調用時的當前 SynchronizationContext 將流動到 Task 中,而且將在 DownloadAsync 執行和等待結果期間成為當前 SynchronizationContext
    • 這意味著這個 await 將看到當前 SynchronizationContext ,並 Post 非同步方法的其餘部分作為一個 continuation 返回到 UI線程 上運行。
  • 這意味著我的 Compute 方法將在 UI線程 上運行,而不是在 ThreadPool 上運行,從而導致我的應用程式出現響應性問題。
  • 從實際結果來看這是不對的,假設執行的代碼更像下麵的

    private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
    {
      string data = await DownloadAsync();
      button1.Text = Compute(data);
    }

實際: 現在,我們看看實際是如何處理的:

Task.Run(...) 這種非同步Api的實現

  • 解讀捕獲(Capture)和運行(Run);
    • ExecutionContext 實際上有兩個 Capture 方法:
      • 但是只有一個是 public,供外部使用
      • 那個 internal 的方法,是 mscorlib 大多數公開的非同步功能(如:Task.Run(...))所使用的一個
        • 這個方法有選擇地允許調用方抑制捕獲 SynchronizationContext 作為 ExecutionContext 的一部分;
    • 與此相對應的是, Run 方法的 internal 重載也支持忽略存儲在 ExecutionContext 中的 SynchronizationContext
      • 實際上是假裝沒有被捕獲(此外,這mscorlib 中大多數方法使用的重載)。
  • 這意味著:

    • mscorlib 中幾乎包含所有非同步操作的核心實現,這裡不會將 SynchronizationContext 作為 ExecutionContext 的一部分流動
    • 位於其他地方的,任何非同步操作的核心實現,都將使 SynchronizationContext 作為 ExecutionContext 的一部分流動。

標識 async 關鍵字方法的實現:

  • 之前我曾提到,非同步方法的 “builders” 是負責在 async 方法中流動 ExecutionContext 所使用的方式
    • 這些 builders 確實存在於 mscorlib 中,並且確實使用 internal 的重載做一些事情。
  • 同樣的, SynchronizationContext 不會作為 ExecutionContext 的一部分流動穿過 awaits
    • 此外,這與 task awaiters 如何支持 捕獲 SynchronizationContext 和將其 Post 回來是分開的
    • 實現方式: 為了幫助處理 ExecutionContext 帶著 SynchronizationContext 流動的情況, async 方法的基礎設施嘗試忽略由於流動而將 SynchronizationContexts 設置為 Current
  • 簡而言之,SynchronizationContext.Current 不會“流動”穿過 await 點。

參考資料
《ExecutionContext vs SynchronizationContext》 --- Stephen Toub


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