淺談.Net非同步編程的前世今生----APM篇

前言在.Net程式開發過程中，我們經常會遇到如下場景：編寫WinForm程式客戶端，需要查詢資料庫獲取數據，於是我們根據需求寫好了代碼後，點擊查詢，發現界面卡死，無法響應。經過調試，發現查詢資料庫這一步執行了很久，在此過程中，UI被阻塞，無法響應任何操作。如何解決此問題？我們需要分析問題成因： ...

前言

在.Net程式開發過程中，我們經常會遇到如下場景：

編寫WinForm程式客戶端，需要查詢資料庫獲取數據，於是我們根據需求寫好了代碼後，點擊查詢，發現界面卡死，無法響應。經過調試，發現查詢資料庫這一步執行了很久，在此過程中，UI被阻塞，無法響應任何操作。

如何解決此問題？我們需要分析問題成因：在WinForm窗體運行時，只有一個主線程，即為UI線程，UI線程在此過程中既負責渲染界面，又負責查詢數據，因此在大量耗時的操作中，UI線程無法及時響應導致出現問題。此時我們需要將耗時操作放入非同步操作，使主線程繼續響應用戶的操作，這樣可以大大提升用戶體驗。

直接編寫非同步編程也許不是一件輕鬆的事，和同步編程不同的是，非同步代碼並不是始終按照寫好的步驟執行，且如何在非同步執行完通知前序步驟也是其中一個問題，因此會帶來一系列的考驗。

幸運的是，在.Net Framework中，提供了多種非同步編程模型以及相關的API，這些模型的存在使得編寫非同步程式變得容易上手。隨著Framework的不斷升級，相應的模型也在不斷改進，下麵我們一起來回顧一下.Net非同步編程的前世今生。

第一個非同步編程模型：APM

概述

APM，全稱Asynchronous Programing Model，顧名思義，它即為非同步編程模型，最早出現於.Net Framework 1.x中。

它使用IAsyncResult設計模式的非同步操作，一般由BeginOperationName和EndOperationName兩個方法實現，這兩個方法分別用於開始和結束非同步操作，例如FileStream類中提供了BeginRead和EndRead來對文件進行非同步位元組讀取操作。

使用

在程式運行過程中，直接調用BeginOperationName後，會將所包含的方法放入非同步操作，並返回一個IAsyncResult結果，同時非同步操作在另外一個線程中執行。

每次在調用BeginOperationName方法後，還應調用EndOperationName方法，來獲取非同步執行的結果，下麵我們一起來看一個示例：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace APMTest
{
    class Program
    {
        public delegate void ConsoleDelegate();

        static void Main(string[] args)
        {
            ConsoleDelegate consoleDelegate = new ConsoleDelegate(ConsoleToUI);
            Thread.CurrentThread.Name = "主線程Thread";
            IAsyncResult ar = consoleDelegate.BeginInvoke(null, null);
            consoleDelegate.EndInvoke(ar);
            Console.WriteLine("我是同步輸出，我的名字是：" + Thread.CurrentThread.Name);
            Console.Read();
        }

        public static void ConsoleToUI()
        {
            if (Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread)
            {
                Thread.CurrentThread.Name = "線程池Thread";
            }
            else
            {
                Thread.CurrentThread.Name = "普通Thread";
            }
            Thread.Sleep(3000); //模擬耗時操作
            Console.WriteLine("我是非同步輸出，我的名字是：" + Thread.CurrentThread.Name);
        }
    }
}

在這段示例中，我們定義了一個委托來使用其BeginInvoke/EndInvoke方法用於我們自定義方法的非同步執行，同時將線程名稱列印出來，用於區分主線程與非同步線程。

如代碼中所示，在調用BeginInvoke之後，立即調用了EndInvoke獲取結果，那麼會發生什麼呢？

如下圖所示：

看到這裡大家也許會比較詫異：為什麼同步操作會在非同步操作之後輸出呢？這樣不是和同步就一樣了嗎？

原因是這樣的：EndInvoke方法會阻塞調用線程，直到非同步調用結束，由於我們在非同步操作中模擬了3s耗時操作，所以它會一直等待到3s結束後輸出非同步信息，此時才完成了非同步操作，進而進行下一步的同步操作。

同時在BeginInvoke返回的IAynscResult中，包含如下屬性：

通過輪詢IsCompleted屬性或使用AsyncWaitHandle屬性，均可以獲取非同步操作是否完成，從而進行下一步操作，相關代碼如下所示：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace APMTest
{
    class Program
    {
        public delegate void ConsoleDelegate();

        static void Main(string[] args)
        {
            ConsoleDelegate consoleDelegate = new ConsoleDelegate(ConsoleToUI);
            Thread.CurrentThread.Name = "主線程Thread";
            IAsyncResult ar = consoleDelegate.BeginInvoke(null, null);
            //此處改為了輪詢IsCompleted屬性，AsyncWaitHandle屬性同理
            while (!ar.IsCompleted)
            {
                Console.WriteLine("等待執行...");
            }
            consoleDelegate.EndInvoke(ar);
            Console.WriteLine("我是同步輸出，我的名字是：" + Thread.CurrentThread.Name);
            Console.Read();
        }

        public static void ConsoleToUI()
        {
            if (Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread)
            {
                Thread.CurrentThread.Name = "線程池Thread";
            }
            else
            {
                Thread.CurrentThread.Name = "普通Thread";
            }
            Thread.Sleep(3000); //模擬耗時操作
            Console.WriteLine("我是非同步輸出，我的名字是：" + Thread.CurrentThread.Name);
        }
    }
}

運行後結果如下：

可以發現，在輪詢屬性時，程式仍然會等待非同步操作完成，進而進行下一步的同步輸出，無法達到我們需要的效果，那麼究竟有沒有辦法解決呢？

此時我們需要引入一個新方法：使用回調。

在之前的操作中，使用BeginInvoke方法，兩個參數總傳入的為null。若要使用回調機制，則需傳入一個類型為AsyncCallback的回調函數，併在最後一個參數中，傳入需要使用的參數，如以下代碼所示：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace APMTest
{
    class Program
    {
        public delegate void ConsoleDelegate();

        static void Main(string[] args)
        {
            ConsoleDelegate consoleDelegate = new ConsoleDelegate(ConsoleToUI);
            Thread.CurrentThread.Name = "主線程Thread";
            //此處傳入AsyncCallback類型的回調函數，並傳入需要使用的參數
            consoleDelegate.BeginInvoke(CallBack, consoleDelegate);
            //IAsyncResult ar = consoleDelegate.BeginInvoke(null, null);
            ////此處改為了輪詢IsCompleted屬性，AsyncWaitHandle屬性同理
            //while (!ar.IsCompleted)
            //{
            //    Console.WriteLine("等待執行...");
            //}
            //consoleDelegate.EndInvoke(ar);
            Console.WriteLine("我是同步輸出，我的名字是：" + Thread.CurrentThread.Name);
            Console.Read();
        }

        public static void ConsoleToUI()
        {
            if (Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread)
            {
                Thread.CurrentThread.Name = "線程池Thread";
            }
            else
            {
                Thread.CurrentThread.Name = "普通Thread";
            }
            Thread.Sleep(3000); //模擬耗時操作
            Console.WriteLine("我是非同步輸出，我的名字是：" + Thread.CurrentThread.Name);
        }

        public static void CallBack(IAsyncResult ar)
        {
            //使用IAsyncResult的AsyncState獲取BeginInvoke中的參數，並用於執行EndInvoke
            ConsoleDelegate callBackDelegate = ar.AsyncState as ConsoleDelegate;
            callBackDelegate.EndInvoke(ar);
        }
    }
}

運行後結果如下：

此時可以看出，使用回調的方式已經實現了我們需要的效果。在同步執行時，將耗時操作放入非同步操作，從而不影響同步操作的繼續執行，在非同步操作完成後，回調返回相應的結果。

小結

APM模型的引入，使得編寫非同步程式變的如此簡單，只需定義委托，將要執行的方法包含其中，並調用Begin/End方法對，即可實現非同步編程。在一些基礎類庫中，也已經提供了非同步操作的方法，直接調用即可。

同時我們可以看到，BeginInvoke方法，實際上是調用了線程池中的線程進行操作，因此APM模型也應屬於多線程程式，同時包含主線程與線程池線程。

但是APM模型也存在一些缺點：

1、若不使用回調機制，則需等待非同步操作完成後才能繼續執行，此時未達到非同步操作的效果。

2、在非同步操作的過程中，無法取消，也無法得知操作進度。

3、若編寫GUI程式，非同步操作內容與主線程未在同一線程，操作控制項時會引起線程安全問題。

為瞭解決這些缺陷，微軟推出了其他的非同步模式，預知後事如何，且聽下回分解。

下集預告

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