.Net中的异步编程模式 (APM) (一)

前段时间看奥运，一下子懒了下来，就停止更新了。本来 上一篇，就准备写XAML和Extension的东西，不过最近回顾了前面写的东西，觉得有必要总结一下.Net中的异步编程模式 (APM) 。计划分四个部分：

• 如何实现支持APM的类
• 如果实现支持APM的硬件设备类
• Event-based的APM
• Continuation-passing Style(CPS)的APM

有些内容相关的文章已经很多了，我写的内容也主要来源于MSDN CONCURRENT AFFAIRS系列。我主要想结合这些内容，看如果使用PowerThreading类库来简化我们的开发 在开始之前，让我们看看异步编程模式APM:

APM简介

APM的概念简单来说就是，主线程创建一个线程执行比较费时的任务，而自己继续执行其他任务。通过使用ThreadPool或者Thread，我们可以很容易的创建线程并让其执行任务，问题的难点在于主线程如何知道该任务是否结束，及如果取消，控制该任务的执行等。

.Net 1.x中定义了IAsyncResult接口，并且类库中会执行费时任务的类都同时提供了同步和异步的API，如FileStream同步读文件的Read方法，对应的异步版本BeginRead和EndRead。主线程调用BeginRead方法时，该方法立即返回一个IAsyncResult对象，而同时FileStream开始执行硬盘读操作。IAsyncResult可以看作的这个读操作的一个"Handler"，定义如下：

1  public   interface  IAsyncResult {
2     WaitHandle AsyncWaitHandle {  get ; }  //  用于等待直到完成方式
3     Boolean    IsCompleted     {  get ; }  //  由于轮询查看方式
4     Object     AsyncState      {  get ; }  //  用于回调方式
5     Boolean    CompletedSynchronously {  get ; }  //  几乎重来不用
6  }

通过这个"Handler"我们可以采用3种方式来等待任务的结束。从这个接口定义，我们可以看出，IAsyncResult方法的局限性。当主线程发出异步任务后，无法取消该任务，也无法知道该任务的执行进度等。我们将后面的内容中，在看如果改善这些问题。

另外，BeginXxx和EndXxx必须成对调用，BeginXxx用于触发任务的执行，EndXxx则用于获得任务执行的返回。尽管有的任务不需要知道结果，但EndXxx还是得调用，否则会造成内存泄漏。如果可以采用回调方式，比较常见的方法就是在回调函数中调用EndXxx。实现回调函数，是比较讨厌的事情，必需通过一定方法，类成员变量，AsyncState等，将FileStream对象传递进去。通过C# 2.0中Anonymous Method及 Limbda，我们可以简化代码，如下面的例子，通过Anonymous Method局部变量的捕获功能，request局部变量漂亮的传递到回调函数中。

 1  //  C#2 匿名函数
 2  var request  =  HttpWebRequest.Create( " http://www.google.com " );
 3  var result  =  request.BeginGetResponse(
 4         delegate (IAsyncResult ar_)
 5        {
 6           var response  =  request.EndGetResponse(ar_);
 7           ProcessData(response);
 8        },
 9         null
10     );
11 
12  //  C#3 Limbda
13  result  =  request.BeginGetResponse( 
14        ar_  =>  {
15           var response  =  request.EndGetResponse(ar_);
16           ProcessData(response);
17        },
18         null
19     );

Threadpool与Computing-Bound, I/O-Bound操作

刚开始看CLR via C#中，开始对Computing-Bound operation和IO-Bound operation的区别不是很理解。后来，结合.Net ThreadPool及Window中IO API及thread pool，才弄明白。

首先，我们知道.Net ThreadPool类中的线程分为Worker Thread和I/O Thread。缺省情况下，Worker Thread是CPU*25个，而I/O Thread是1000个。.Net的ThreadPool是基于Windows OS本身提供的Thread Pool的。所以我们先看看Windows本身提供的Thread Pool。

Windows 的Thread Pool （Vista以前）中的线程也分为两类I/O Worker Thread和non-I/O Worker Thread。当我们调用Windows API对I/O如文件进行同步读写时，该线程创建一个IRP的设备请求，并将IRP发送给device stack，然后在核心态等待其完成。而当我们用异步方式时，该线程发送完IRP后，则返回，继续后续的操作。Windows有很多种方式可以通知该I/O操作的完成，与Thread Pool相关的有两种。一种是将完成notification放在该线程的APC队列中，该队列只有当线程进入等待状态是，才会被读取；而另一种方式则是I/O Completion Port，我们可以把这样也认为是个队列，而读取这个队列可以通过GetQueuedCompletionStatus API函数。Windows的Thread Pool的分类就是根据读取不同的队列。I/O Worker Thread读取的是APC队列，也就是当线程完成一个任务后，会进入等待状态；而non-I/O Worker Thread则对应的读取I/O Completion Port队列。APC相比于I/O Completion Port存在很多问题，且性能较差，但是为了向后兼容还是不得不支持。因而在.Net中，只封装了I/O Completion Port，也就是.Net中的I/O Thread对于Windows中的non-I/O Worker Thread。呵呵，希望我还清醒。而APC对于的I/O Worker Thread则没有.Net Thread Pool对应的。

所以在.Net线程池中，I/O Thread实际就是I/O完成端口，而Worker Thread可以看成.Net通过Thread类预先创建的一组线程。.Net及ThreadPool类中提供的方法，如QueueUserWorkItem, Timer, delegate回调等使用的都是Worker Thread。而.Net中对I/O操作的封装，如FileStream, NetworkStream等则是使用的IO Thread。

让我们在回头看CLR via C#中提到的计算约束Computing-Bound和I/O约束I/O-Bound的操作。当我们调用FileStream.BeginRead读文件时，BeginRead并没有创建新的线程去执行读操作，读操作(IRP)被设备执行，同时该线程继续执行其他任务。而当设备完成读操作后，线程池（IO Thread）中的一个线程开始执行回调函数。

而当我们执行的是Computing-Bound的操作时，开始我们就新创建一个线程或通过ThreadPool.QueueUserWorkItem使用线程池中的线程来执行操作，任务完成后，这个线程会执行回调函数。

通过上面的分析，我们可以看到真的不同操作类型，Computing-Bound vs I/O-Bound，类库实现的方式是不同。当然，我们也可以异步Computing-Bound的方式来同步调用FileStream.Read，但是这样我们就没有利用I/O完成端口这个高性能的特性。

本来想这篇就想写如果使用PowerThreading来实现APM的，限于篇幅，就该在下篇吧。希望上面的内容对大家有帮助

参考：

《CLR via C#》第23章 by Jeffery Richard

Implementing the CLR Asynchronous Programming Model

Simplified APM with C#

Windows I/O threads vs. managed I/O threads