第二十八章 I/O限制的异步操做

目录

28.1 Windows如何执行I/O操做

28.2 C#的异步函数

28.3 编译器如何将异步函数转换成状态机

28.4 异步函数扩展性

28.5 异步函数和事件处理程序

28.6 FCL的异步函数

28.7 异步函数和异常处理

28.8 异步函数的其余功能

28.9 应用程序及其线程处理模型

28.10 以异步方式实现服务器

28.11 取消I/O操做

28.12 有的I/O操做必须同步进行

28.13 I/O请求优先级

异步执行I/O限制操做，容许将任务交由硬件设备处理，期间彻底不占用线程和CPU资源。

28.1 Windows如何执行I/O操做

同步I/O操做：程序经过构造一个FIleStream对象来打开磁盘文件，而后调用Read方法从文件中读取数据。调用FileStream的Read方法时，你的线程从托管代码转变为本机/用户模式代码，Read内部调用Win32ReadFile函数。ReadFile分配一个小的数据结构，称为I/O请求包（IRP）。IRP结构初始化后包含的内容有:文件句柄，文件中的偏移量（从这个位置开始读取字节），一个Byte[]数据的地址（数组用读取的字节来填充），要传输的字节数据以及其余常规性内容。而后，ReadFile将你的线程从本机/用户模式代码转变成本机/内核模式代码，向内核传递IRP数据结构，从而调用Windows内核。根据IRP中的设备句柄，Windows内核知道I/O操做要传送给哪一个硬件设备。所以，Windows将IRP传送给恰当的设备驱动程序的IRP队列。每一个设备驱动程序都维护者本身的IRP队列，其中包含了机器上运行的全部进程发出的I/O请求。IRP数据包到达时，设备驱动程序将IPR信息传给物理硬件设备上安装的电路板。如今，硬件设备将执行请求的I/O操做。在硬件设备执行I/O操做期间，发出了I/O请求的线程将无事可作，因此Windows将线程变成睡眠状态，防止它浪费CUP时间。最终，硬件设备会完成I/O操做。而后，Windows会唤醒你的线程，把它调度给一个CPU，使它从内核模式返回用户模式，再返回至托管代码。FileStream的Read方法如今放回一个Int32，指明从文件中读取的实际字节数，使你知道在传给Read的Byte[]中，实际能检索到多少个字节。

I/O异步操做：构造FileSteam对象，传递一个FileOptions.Asynchronous标识， 告诉Windows我但愿文件的读/写操做以异步方式进行。调用ReadAsync从文件中读取数据，它内部分配一个Task<Int32>对象来表明用于完成读取操做的代码。而后调用Win32ReadFile函数。ReadFIle分配IRP，和前面的同步操做同样初始化它，而后把它传给Windows内核。Windows把IRP添加到硬盘驱动程序的IRP队列中。但线程再也不阻塞，而是容许返回至你的代码。可在Task<Int32>上调用ContinueWith来登记任务完成时执行的回调方法，而后在回调方法中处理数据。硬件设备处理好IRP后，会将完成的IRP放到CLR的线程池队列中。未来某个时候，一个线程池线程会提取完成的IRP并执行执行完成任务的代码，最终要么设置异常，要么返回结果。

CLR在初始化时建立一个I/O完成端口。当你打开硬件设备时，这些设备能够和I/O完成端口关联，使设备驱动程序知道将完成的IRP送到哪儿。

28.2 C#的异步函数

将方法标记为async，编译器就会将方法的代码转换成实现了状态机的一个类型。这就容许线程执行状态机中的一些代码并返回，方法不须要一直执行到结束。

异步函数限制：

不能讲应用程序的Main方法转变成异步函数。另外，构造器，属性访问器方法和事件访问器方法不能转变成异步函数。

异步函数不能使用任何out或ref参数。

不能在catch，finally或unsafe块中使用await操做符。

不能在await操做符以前得到一个支持线程全部权或递归的锁，并在await操做符以后释放它。在C# lock语句中使用await，编译器会报错。

在查询表达式中，await操做符只能在初始from子句的第一个集合表达式中使用，或者在join子句的集合表达式中使用。

28.3 编译器如何将异步函数转换成状态机

 任什么时候候使用await操做符，编译器都会获取操做数，并尝试在它上面调用GetAwaiter方法。这多是实例方法或扩展方法。调用GetAwaiter方法所返回的对象称为awaiter，正是它将被等待的对象与状态机粘合起来。

状态机得到awaiter后，会查询其IsCompleted属性。若是操做已经以同步方式完成了，属性返回true，而最为一项优化措施，状态机将继续执行并调用awaiter的GetResult方法。该方法要么抛出异常，要么返回结果。若是操做以异步方式完成，IsCompleted将返回false。状态机调用awaiter的OnCompleted方法并向它传递一个委托（引用状态机的MoveNext方法）。如今，状态机容许它的线程回到原地以执行其余代码。未来某个时候，封装了底层任务的awaiter会在完成时调用委托以执行MoveNext。可根据状态机中的字段知道如何到达代码中的正确位置，使方法能从它当初离开的位置继续。这时，代码调用awaiter的GetResult方法。执行将从这里继续，以便对结果进行处理。

28.4 异步函数扩展性

 在扩展性方面，能用Task对象包装一个未来完成的操做，就能够用await操做符来等待该操做。

用一个类型（Task）来表示各类异步操做对编码有利，由于能够实现组合操做（好比Task的WhenAll和WhenAsy方法）和其余有用的操做。

除了加强使用Task时的灵活性，异步函数另外一个对扩展性有利的地方在于编译器能够在await的任何操做数上调用GetAwaiter。因此操做数不必定是Task对象。能够是任意类型，只要提供了一个能够调用的GetAwatier方法。

28.5 异步函数和事件处理程序

 异步函数的返回类型通常是Task或Task<TResult>，它们表明函数的状态机完成。但异步函数是能够返回void的。实现异步事件处理程序时，C#编译器容许你利用这个特殊状况简化编码。

方法签名：void EventHandlerCallback(Object sender, EventArgs e);

28.6 FCL的异步函数

异步函数很容易分辨，由于规范要求为方法名附加Async后缀。

 System.IO.Stream 的全部派生类都提供了ReadAsync，WriteAsync，FlushAsync和CopyToAsync方法。

System.IO.TextReader 的全部派生类都提供了ReadAsync，ReadLineAsynchronous，ReadToEndAsync和ReadBlockAsync方法。System.IO.TextWriter的派生类提供了WriteAsync，WriteLineAsyc和FlushAsync方法。

System.Net.Http.HttpClient 类提供了GetAsync，GetSteamAsync，GetByteArrayAsync，PostAsync，PutAsynchronous，DeleteAsync和其余许多方法。

System.Net.WebRequest 的全部派生类（包括FileWebRequest，FtpWebRequest和HttpWebRequest）都提供了GetRequestStreamAsync和GetRequestAsync方法

System.Data.SqlClient.SqlCommand 类提供了ExecuteDbDataReaderAsync，ExecuteNonQueryAsync，ExecuteReaderAsync，ExecuteScalarAsync和ExecuteXmlReaderAsync方法。

生成Web服务代理类型的工具（好比SvcUtil.exe）也生成XxxAsync方法

28.7 异步函数和异常处理

Windows设备驱动程序处理异步I/O请求时可能出错：设备驱动程序会向CLR的线程池post已完成的IRP。一个线程池线程会完成Task对象并设置异常。你的状态机方法恢复时，await操做符发现操做失败并引起该异常。

若是状态机出现未处理的异常，那么表明异步函数的Task对象会由于未处理的异常而完成。而后，正在等待该Task的代码会看到异常。但异步函数也可能使用了void返回类型，这是调用者就没办法发现未处理的异常。因此，但返回void的异步函数抛出未处理的异常时，编译器生成的代码将捕捉它，并使用调用者的同步上下文从新抛出它。若是调用者经过GUI线程执行，GUI线程最终将从新抛出异常。从新抛出这个异常一般形成整个进程终止。

28.8 异步函数的其余功能

VS为异步函数提供了出色的支持。

C#异步lambda表达式。

28.9 应用程序及其线程处理模型

 .Net Framework支持几种不一样的应用程序模型，而每种模型均可能引入了它本身的线程处理模型。控制台应用程序和Windows服务（实际也是控制台应用程序：只是看不见控制台而已）没有引入任何线程才处理模型；换言之，任何线程可在任什么时候候作它想作的任何事情。

但GUI应用程序（包括Windows窗体，WPF，Silverlight和Windows Store应用程序）引入了一个线程处理模型。在这个模型中，UI元素只能由建立它的线程更新。

ASP.NET应用程序容许任何线程作它想作的任何事情。线程池线程开始处理一个客户端的请求时，能够对客户端的语言文化作出假定，从而容许Web服务器对返回的数字，日期和时间进行该语言文化特有的格式化处理。此外，Web服务器还可对客户端的身份标识作出假定，确保只能访问客户端有权访问的资源。

28.10 以异步方式实现服务器

 要构建异步ASP.NET Web窗体，在.aspx文件中添加Async=“true”网页指令，并参考System.Web.UI.Page的RegisterAsyncTask方法。

要构建异步ASP.NET MVC控制器，使你的控制器类从System.Web.Mvc.AsyncController派生，让操做方法返回一个Task<ActionResult>便可。

要构建异步ASP.NET处理程序，使你的类从System.Web.HttpTaskAsyncHandler派生，重写其抽象ProcessRequestAsync方法

要构建异步ＷCF服务,将服务做为异步函数实现，让它返回Task或Task<TResult>。

28.11 取消I/O操做

 实现一个WithCancellation方法来扩展Task<TResult>

28.12 有的I/O操做必须同步进行

 FCL不能以异步方式打开文件，访问注册表，访问事件日志，获取目录的文件/子目录或者更改文件/目录的属性等

Windows Runtime容许以异步方法执行I/O操做。可使用C#的异步函数功能简化调用这些API时的编码。

28.13 I/O请求优先级

Windows容许线程在发出I/O请求时指定优先级，FCL不包含此功能，可采起P/Invoke本机Win32函数的方式。

要调用ThreadIO的BeginBackgrouondProcessing方法，告诉Windows你的线程要发出低优先级I/O请求。这同时会下降线程的CPU调度优先级。可调用EndBackgroupProcessing,或者在BeginBackgroundProcessing返回的值上调用Dispose，使线程恢复为发出普通优先级的I/O请求（以普通CPU调度优先级）。线程只能影响它本身的后台处理模式；Windows不容许线程更改一个线程的后台处理模式。

若是但愿一个进程中的全部线程发出低优先级I/O请求和进行低优先级的CPU调度，可调用BeginBackgroundProcessing，为它的Process参数传递true值，一个进程只能影响它本身的后台处理模式；Windows不容许一个线程更改另外一个进程的后台处理模式。