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異步編程模型 (APM)是.NET1.0的時候就已經(jīng)推出的古老異步編程模式，此模式基于IAsyncResult接口實現(xiàn)。
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隨著技術的發(fā)展，又在“.NET1.0異步編程模型 (APM)”之后推出了“.NET2.0基于事件的編程模式”及“.NET4.X基于任務的編程模式”兩種異步編程模式。盡管在新的設計上我們推薦都使用“.NET4.0基于任務的編程模式”，但我還是計劃整理出舊版的異步編程模型，因為：
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計模式；
4. 等等…
示例下載：異步編程：IAsyncResult異步編程模型.rar
IAsyncResult設計模式----規(guī)范概述
使用IAsyncResult設計模式的異步操作是通過名為 Begin*** 和 End*** 的兩個方法來實現(xiàn)的，這兩個方法分別指代開始和結束異步操作。例如，F(xiàn)ileStream類提供BeginRead和EndRead方法來從文件異步讀取字節(jié)。這兩個方法實現(xiàn)了 Read 方法的異步版本。
在調(diào)用 Begin*** 后，應用程序可以繼續(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。（如果有返回值還應調(diào)用 End*** 來獲取操作的結果）。
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。
- // 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. 要想獲得返回結果，必須調(diào)用的方法;
ii. 若帶有out 和 ref 參數(shù)，實現(xiàn)上委托也要帶有out 和 ref 參數(shù)，以便在回調(diào)中獲得對應引用傳參值做相應邏輯;
現(xiàn)在我們清楚了IAsyncResult設計模式的設計規(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。
#p#
一、基于IAsyncResult構造一個異步API
現(xiàn)在來構建一個IAsyncResult的類，并且實現(xiàn)異步調(diào)用。
- // 帶ref參數(shù)的自定義委托
- public delegate void RefAsyncCallback(ref string resultStr, IAsyncResult ar);
- public class CalculateAsyncResult : IAsyncResult
- {
- private int _calcNum1;
- private int _calcNum2;
- private RefAsyncCallback _userCallback;
- public CalculateAsyncResult(int num1, int num2, RefAsyncCallback userCallback, object asyncState)
- {
- this._calcNum1 = num1;
- this._calcNum2 = num2;
- this._userCallback = userCallback;
- this._asyncState = asyncState;
- // 異步執(zhí)行操作
- ThreadPool.QueueUserWorkItem((obj) => { AsyncCalculate(obj); }, this);
- }
- #region IAsyncResult接口
- private object _asyncState;
- public object AsyncState { get { return _asyncState; } }
- private ManualResetEvent _asyncWaitHandle;
- public WaitHandle AsyncWaitHandle
- {
- get
- {
- if (this._asyncWaitHandle == null)
- {
- ManualResetEvent event2 = new ManualResetEvent(false);
- Interlocked.CompareExchange<ManualResetEvent>(ref this._asyncWaitHandle, event2, null);
- }
- return _asyncWaitHandle;
- }
- }
- private bool _completedSynchronously;
- public bool CompletedSynchronously { get { return _completedSynchronously; } }
- private bool _isCompleted;
- public bool IsCompleted { get { return _isCompleted; } }
- #endregion
- /// <summary>
- ///
- /// 存儲最后結果值
- /// </summary>
- public int FinnalyResult { get; set; }
- /// <summary>
- /// End方法只應調(diào)用一次，超過一次報錯
- /// </summary>
- public int EndCallCount = 0;
- /// <summary>
- /// ref參數(shù)
- /// </summary>
- public string ResultStr;
- /// <summary>
- /// 異步進行耗時計算
- /// </summary>
- /// <param name="obj">CalculateAsyncResult實例本身</param>
- private static void AsyncCalculate(object obj)
- {
- CalculateAsyncResult asyncResult = obj as CalculateAsyncResult;
- Thread.SpinWait(1000);
- asyncResult.FinnalyResult = asyncResult._calcNum1 * asyncResult._calcNum2;
- asyncResult.ResultStr = asyncResult.FinnalyResult.ToString();
- // 是否同步完成
- asyncResult._completedSynchronously = false;
- asyncResult._isCompleted = true;
- ((ManualResetEvent)asyncResult.AsyncWaitHandle).Set();
- if (asyncResult._userCallback != null)
- asyncResult._userCallback(ref asyncResult.ResultStr, asyncResult);
- }
- }
- public class CalculateLib
- {
- public IAsyncResult BeginCalculate(int num1, int num2, RefAsyncCallback userCallback, object asyncState)
- {
- CalculateAsyncResult result = new CalculateAsyncResult(num1, num2, userCallback, asyncState);
- return result;
- }
- public int EndCalculate(ref string resultStr, IAsyncResult ar)
- {
- CalculateAsyncResult result = ar as CalculateAsyncResult;
- if (Interlocked.CompareExchange(ref result.EndCallCount, 1, 0) == 1)
- {
- throw new Exception("End方法只能調(diào)用一次。");
- }
- result.AsyncWaitHandle.WaitOne();
- resultStr = result.ResultStr;
- return result.FinnalyResult;
- }
- public int Calculate(int num1, int num2, ref string resultStr)
- {
- resultStr = (num1 * num2).ToString();
- return num1 * num2;
- }
- }
使用上面通過IAsyncResult設計模式實現(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異步調(diào)用和一種無阻塞式委托響應異步調(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：
a) IAsyncResult的AsyncWaitHandle屬性，待異步操作完成時獲得信號。
b) 通過IAsyncResult的IsCompleted屬性進行輪詢。通過輪詢還可實現(xiàn)進度條功能。
c) 調(diào)用異步操作的 End*** 方法。
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)行操作后的響應放到回調(diào)中進行。
- public class Calculate_Test
- {
- public static void Test()
- {
- CalculateLib cal = new CalculateLib();
- // 基于IAsyncResult構造一個異步API
- IAsyncResult calculateResult = cal.BeginCalculate(123, 456, AfterCallback, cal);
- // 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 屬性進行輪詢。通過輪詢還可實現(xiàn)進度條功能。
- // 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);
- }
- ///
- /// 異步操作完成后做出響應
- ///
- 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)行操作后的響應放到回調(diào)中進行。
- CalculateLib cal = ar.AsyncState as CalculateLib;
- //int result = cal.EndInvoke(ref resultStr, calculateResult1);
- //if (result > 0) { }
- }
- }
#p#
二、使用委托進行異步編程
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，公共語言運行庫 (CLR) 將對請求進行排隊并立即返回到調(diào)用方，由線程池的線程調(diào)度目標方法并與提交請求的原始線程并行運行。
異步委托是快速為方法構建異步調(diào)用的方式，它基于IAsyncResult設計模式實現(xiàn)的異步調(diào)用，即，通過BeginInvoke返回IAsyncResult對象；通過EndInvoke獲取結果值。
示例：
上節(jié)的CalculateLib類中的同步方法以及所要實用到的委托如下：
- // 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，通過委托進行同步或異步調(diào)用：
- AsyncInvokeDel calculateAction = cal.Calculate;
- string resultStrAction = string.Empty;
- // int result1 = calculateAction.Invoke(123, 456, ref resultStrAction);
- IAsyncResult calculateResult1 = calculateAction.BeginInvoke(123, 456, ref resultStrAction, null, null);
- int result1 = calculateAction.EndInvoke(ref resultStrAction, calculateResult1);
#p#
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入一種不一致的狀態(tài)。還可能出現(xiàn)其他與線程相關的 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（此方式請永遠不要再使用）
多線程訪問窗口中的控件，可以在窗口的構造函數(shù)中將Form的CheckForIllegalCrossThreadCalls靜態(tài)屬性設置為false。
- // 獲取或設置一個值，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列中,當控件創(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大量的系統(tǒng)資源，所以應避免重復調(diào)用其他線程上的控件。
1) 使用BackgroundWork后臺輔助線程控件控件（AsyncOperationManager類和AsyncOperation類幫助器方式）。
2) 結合TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext() 和Task 實現(xiàn)。
3) 使用Control類上提供的Invoke 和BeginInvoke方法。
因本文主要解說IAsyncResult異步編程模式，所以只詳細分析Invoke 和BeginInvoke跨線程訪問控件方式。
Control類實現(xiàn)了ISynchronizeInvoke接口，提供了Invoke和BeginInvoke方法來支持其它線程更新GUI界面控件的機制。
- 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)部實現(xiàn)如下:
a) Invoke （同步調(diào)用）先判斷控件創(chuàng)建線程與當前線程是否相同，相同則直接調(diào)用委托方法；否則使用Win32API的PostMessage 異步執(zhí)行。
b) BeginInvoke （異步調(diào)用）使用Win32API的PostMessage 異步執(zhí)行.
- 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)行結束，調(diào)用者線程將不會被阻塞。（對應同步方法的windows api是：SendMessage()）
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)部關鍵如下：
- 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識和創(chuàng)建窗口的進程的標識符與當前線程Id進行比較”的結果。
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。
- private void InvokeControl(object mainThreadId)
- {
- if (this.InvokeRequired)
- {
- this.Invoke(new Action
(ChangeText), "InvokeRequired = true.改變控件Text值"); - //this.textBox1.Invoke(new Action
(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。因為在執(zhí)行Invoke或BeginInvoke時，內(nèi)部首先調(diào)用 FindMarshalingControl() 進行一個循環(huán)向上回溯，從當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。（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致將調(diào)用封送到錯誤的目的線程）
本節(jié)到此結束，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設計模式實現(xiàn)的異步編程方式，并且構建了一個繼承自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)典應用。下一節(jié)中，我將為大家介紹基于事件的編程模型……
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