C#異步編程及其同步機制
本篇文章涵蓋一下幾部分內容：
1. 什么是異步編程，為什么會需要異步編程
2. .NET下的異步編程及其發展
3. .NET線程同步機制及線程間數據封送
4. 異步模式
5. 線程安全及異常處理
6. 線程取消
什么是異步編程，為什么會需要異步編程
這個世界上資源是受限的。但資源限制和懶惰一樣促進了工業和科技的發展。在計算機方面舉個例子，計算機非得是二進制嗎？對計算機來說二進制***嗎？不是，這是由于當時工業水平限制，把電壓分成兩份表示0和1比分成三份更加方便且可靠；虛擬內存管理，Cache等技術都是由當時硬件條件所限逼出來的技術，同樣異步編程和分布式編程也是。生活中的好多事物都不是線性的，拿學生時代的一個常見的例子說一下，明天開學，海量作業一點沒寫，于是找個同學作業抄一下，但在短時間內一個人很難抄得完，于是我花錢請了幾個同學一起抄，把一份工作分給幾個人去做，這就是異步了。但除去筆跡不同這么做沒有一個人抄安全，有可能哥幾個把一份內容重復抄了好幾遍（線程安全），這期間萬一筆，紙，橡皮沒準備充分還得有一個資源爭用，死鎖的問題（同步的問題），哥幾個抄得時候還會相互報一下各自進度（線程間數據封送），所以說這么干是有風險的我們就得有個機制避免這種風險的發生，異步編程和這個類似。
那在編程中異步會用在什么地方呢？一個簡單情形，圖形界面程序，后臺如果要連接數據庫查詢或寫入海量數據或者進行I/O操作，界面會“假死”。之所以發生這種情況是這些處理都在UI線程中，這些操作占用UI線程時，任何拖動UI，點擊按鈕等操作都得不到及時響應。解決的方法是將這些需要長時間的操作放入一個新的線程異步操作，把UI線程解放出來。其它的應用比如海量數據計算，服務器響應客戶端請求等等。
.NET下的異步編程及其發展
首先說明一點，線程可以分為前臺線程和后臺線程。前臺線程和吸血鬼差不多很恐怖，要想干死進程，就必須把所有的前臺進程都干掉，UI線程就是前臺線程。而后臺線程就是二房生的兒子了，進程消亡后緊跟著死掉了，很明顯的后臺線程就是Word的拼寫檢查，或者outlook負責跟服務器同步更新郵件的線程。
任何平臺和編程語言都會有多線程的實現機制和方法。對于C#來講Thread類就是創建線程，管理線程的一種最初始的手段。但是創建和銷毀一個線程是很耗費資源的，而且創建的線程越多，線程間切換就越頻繁（計算機CPU個數受限），線程切換也要耗費資源和時間，再加上線程管理是一件很費心的事，所以微軟就引入了線程池的概念。線程池是一個先進先出FIFO的隊列，程序員只需要把操作或者任務丟給線程池，讓.NET framework替程序員管理線程，線程復用等，極大的簡化了開發。這里就有一個控制線程池內線程數量的問題。線程池內的線程肯定得根據需要動態變化，但適應這種需要的算法是什么呢？
一個簡單的算法：往線程池中增加一些線程，觀察線程池的吞吐量，如果增加后吞吐量增加，說明線程不夠，需要增加線程。但這存在一個問題，對于一個很大的任務需要長時間占用線程，增加線程并不能增加吞吐量，此時如果增加線程會加重負擔。所以在CLR v4時引入了本地隊列（Local Queue）的概念，如果一個線程內創建了另一個線程，新創建的線程不再丟給全局隊列，而是給本地隊列排隊等候調用。這就又有個問題，如果一個隊列內任務執行完了，而另一個隊列還有好多怎么辦？那就讓執行完任務的本地隊列從該隊列上“偷“一個線程執行。這樣達到負載均衡。當然線程池的算法會隨著CLR版本升級而不斷演進，更加智能的管理線程。對普通開發者而言可以不用考慮這些細節，無縫的體驗線程池帶來的便利和效率就行了。
線程池如此方便，我們怎么使用線程池呢？可以通過以下幾種方式：
通過類方法ThreadPool.QueueUserWorkItem直接調用。
通過.net Framework 4.0 引入的TPL（Task Parallel Library）任務并行庫。
TPL中最主要的兩個類是Task和Parallel。而新版C++標準中也引入了類似的概念parallel_for, parallel_foreach, parallel_invoke等。
詳細信息見以下鏈接。
通過異步委托（BeginInvoke/EndInvoke）調用。
通過BackgroundWorker, BackgroundWorker是WinForm， WPF下的一個控件，主要用于提供UI控件下的協作式取消，進度報告等。
這里我還要講一下PFX（Parallel FrameWork）。PFX從概念上可以分為數據并行和任務并行。
上層的由兩個結構化數據并行APIs組成：PLINQ和Parallel類。而底層的任務并行包含了Task 類和一系列的附屬結構用于幫助并行編程。注意PFX是建立在線程池之上的，是更好使用線程池的一種途徑，有說法說是用TPL比直接使用線程池效率更高。關于PLINQ，Task，Parallel類及上圖所列結構的使用請參考一下鏈接。
.NET線程同步機制及線程間數據封送
首先.Net的同步機制是干什么的？概況來講是為了安全。同步機制的存在是因為異步操作是不安全的，會帶來一系列的問題，這些問題在***章節中已經討論過了。而線程間數據封送和COM與.Net framework數據封送一樣，是為了線程間數據和狀態的傳遞。
那么.net的同步機制有哪些呢？概括一下：
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簡單的鎖定方法：Thead類的Sleep, Join等以及Task的Wait方法。
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基于對象的鎖定:
lock（Monitor.Enter/Monitor.Exit）:首先強調一下它不可以跨進程間線程同步。一般跨進間線程同步都有一個特征，就是同步對象都有名字。
Mutex和Semophore（slim）：這兩個都可以跨進程同步，兩者的區別在于：Mutex只能有一等待資源，而Semophore可以有多個。拿廁所舉例，Mutex相當于廁所中只有一個蹲位，只能一個上了才能上另一個，而Semophore可以有多個蹲位，可以讓多個線程同時阻塞一個線程的執行。就是n個哥們一起蹲著，又來一哥們，然后這n個哥們就占著那啥不那啥。
Reade/Writer 鎖。
3.基于信號
事件等待句柄AutoResetEvent， ManualResetEvent（Slim）：注意這兩個也是允許跨進程的，兩者用法差不多，使一個線程釋放一個信號從而使得其他線程能夠執行。
CountdownEvent（4.0被引入）：這個和上邊用法正好相反，它使得一個線程等待收到其他線程的信號后再執行。
Barrier
Wait and pulse
4. 非阻塞的同步結構
Thread.MemoryBarrier
Thread.VolatileRead/Write
Interlocaked
關于以上同步機制具體應用和Demo代碼請參考以下鏈接。
而關于線程間數據封送，一個很好的例子就是點擊button后開始在新線程中執行某個操作，但執行過程需要在一個label上顯示出來，這時候就需要把新線程內表示執行狀態的數據對象封送回UI線程。這部分內容可以參考我以前寫的一篇帖子：http://www.cnblogs.com/salomon/archive/2012/06/28/2567339.html。
異步模式
什么需要異步模式？所謂模式，其實是一種方法，就跟上篇博客里所講的，是從工程實踐中總結出來的解決相似或特定問題的一種慣用手段。常見的異步模式包括:
APM模式： BeginXXX/EndXXX, IAsyncResult
EAP模式（基于事件的異步模式）
Windows Form
MethodNameAsync
Event
TAP（基于任務的異步模式）
MethodNameAsync
Task/Task<Result>
這部分內容以下鏈接講得很好了，感興趣可以看一下。更詳盡的介紹去MSDN或者官方網站上去找相似的文檔。
線程安全及異常處理
新線程中拋出的異常會不會自動封送到主線程中？如何處理新線程中拋出的異常？什么是線程安全？怎樣做到線程安全？
線程取消
正在執行的線程怎么能不能取消，怎么取消合適？暴力取消？協作式取消？
C#5.0新的異步模式Async和await關鍵字
請參考我以前的博客：http://www.cnblogs.com/salomon/archive/2012/06/27/2565862.html
原文鏈接：http://www.cnblogs.com/salomon/archive/2012/07/26/2610548.html
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