多线程编程学习笔记——使用异步IO

假设以下场景，如果在客户端运行程序，最的事情之一是有一个响应的用户界面。这意味着无论应用程序发生什么，所有的用户界面元素都要保持快速运行，用户能够从应用程序得到快速响应。达到这一点并不容易！如果你尝试在Windows系统中打开记事本并加载一个有几兆大小的文档，应用程序窗口将交结一段的时间，因为整个文件要先从硬盘中加载，然后程序才能开始处理用户输入。

这是一个非常重要的问题，在这种情况下，唯一方案是无论如何都要避免阻塞UI纯种。这反过来意味着为了防止阻塞UI线程，每个与UI有关的API必须只被允许异步调用。这是Windows操作系统重新升级API的关键原因，其几乎把每个方法替换为异步方式。但是应用程序使用多线程来达到此目的会影响性能吗？当然会。然而考虑到只有一个用户，那么这是划算的。如果应用程序可以使用电脑的所有能力从而变得更加高效，而且这种能力只为运行程序的唯一用户服务，这是好事。

接下来看看第二种情况。如果程序运行在服务器端，则是完全不同的情形。可伸缩性是最高优先级，这意味着单个用户消耗越少的资源越好。如果为每个用户创建多个线程，则可伸缩性并不好。以高效的方式来平衡应用程序资源的消耗是个非常复杂的问题。例如，在ASP.NET中，我们使用工作线程池来服务客户端请求。这个池的工作线程是有限的，所以不得不最小化每个工作线程的使用时间以便达到高伸缩性。这意味着需要把工作线程越快越好地放回到池中，从而可以服务下一个请求。如果我们启动了一个需要计算的异步操作，则整个工作流程会很低效。首先从线程池中取出一个工作线程用以服务客户端请求。然后取出另一个工作线程并开始处理异步操作。现在有两个工作线程都在处理请求，如果第一个线程能做些有用的事则非常好。可惜，通常情况下，我们简单等待异步操作完成，但是我们却消费了两个工作线程，而不是一个。在这个场景中，异步比同步执行实际上更糟糕！我们不需要使用所有CPU核心，因为我们已经在服务很多客户端，它们已经使用了CPU的所有计算能力。我们无须保持第一个线程响应，因为这没有用户界面。那么为什么我们应该在服务端使用异步呢？

答案是只有异步输入/输出操作才应用使用异步。目前，现代计算机通过有一个磁盘驱动器来存储文件，一块网卡来通过网络发送与接收数据。所有这些设备都有自己的芯片，以非常底层的方式来管理输入/输出操作并发信号给操作系统。这种执行I/O任务的方式被称为I/O线程。

在ASP.NET中，一旦有一个异步的I/O操作在工作线程开始时，它会被立即返回到线程池中。当这个操作继续运行时，这个线程可以服务其他的客户端。最终，当操作发出信号完成时，ASP.NET基础设施从线程池中获取一个空闲的工作线程，然后会完成这个操作。

一、异步使用文件

本救命学习如何使用异步的方式读写一个文件。

1.示例代码如下。

using System;

using System.Collections.Generic;

using System.IO;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Threading.Tasks;

namespace ThreadIODemo

{

    class Program

    {

        static void Main(string[] args)

        {

            Console.WriteLine("--开始 使用 异步 I/O 线程 -- ");

            var t = ReadWriteAsyncIO();

            t.GetAwaiter().GetResult();

            Console.Read();

        }

        const int BUFFER_SIZE = ;

        async static Task ReadWriteAsyncIO()

        {

            using (var fs = new FileStream("test1.txt", FileMode.Create, FileAccess.ReadWrite, FileShare.None, BUFFER_SIZE))

            {

                Console.WriteLine("1. 使用 I/O 线程 是否异步：{0}",fs.IsAsync);

                byte[] buffer = Encoding.UTF8.GetBytes(CreateFileContent());

                var writeTask = Task.Factory.FromAsync(fs.BeginWrite, fs.EndWrite, buffer, , buffer.Length, null);

                await writeTask;

            }

            using (var fs = new FileStream("test2.txt", FileMode.Create, FileAccess.ReadWrite, FileShare.None,
 BUFFER_SIZE, FileOptions.Asynchronous))

            {

                Console.WriteLine("2. 使用 I/O 线程 是否异步：{0}",fs.IsAsync);

                byte[] buffer = Encoding.UTF8.GetBytes(CreateFileContent());

                var writeTask = Task.Factory.FromAsync(fs.BeginWrite, fs.EndWrite, buffer, , buffer.Length, null);

                await writeTask;

            }

            using (var fs = File.Create("test3.txt", BUFFER_SIZE, FileOptions.Asynchronous))

            {

                using (var sw = new StreamWriter(fs))

                {

                    Console.WriteLine("3. 使用 I/O 线程 是否异步：{0}",fs.IsAsync);

                    await sw.WriteAsync(CreateFileContent());

                }

            }

            using (var sw = new StreamWriter("test4.txt", true))

            {

                Console.WriteLine("4. 使用 I/O 线程 是否异步：{0}",((FileStream)sw.BaseStream).IsAsync);

                await sw.WriteAsync(CreateFileContent());

            }

            System.Threading.Thread.Sleep();

            Console.WriteLine("开始异步读取文件"); 

            Task<long>[] readTasks = new Task<long>[];

            for (int i = ; i < ; i++)

            {

                readTasks[i] = SumFileContent(string.Format("test{0}.txt",i + ));

            }

            long[] sums = await Task.WhenAll(readTasks);

            Console.WriteLine("所有文件中的和值：{0}", sums.Sum()); 

            Console.WriteLine("开始删除文件");

            Task[] delTasks = new Task[];

            for (int i = ; i < ; i++)

            {

                string filename = string.Format("test{0}.txt",i + );

                delTasks[i] = SimulateAsynchronousDelete(filename);

            }

            await Task.WhenAll(delTasks);

            Console.WriteLine("删除文件结束");

        } 

        static string CreateFileContent()

        {

            var sb = new StringBuilder();

            for (int i = ; i < ; i++)

            {

                sb.AppendFormat("{0}", new Random(i).Next(, ));

                sb.AppendLine();

            }

            return sb.ToString();

        }

        async static Task<long> SumFileContent(string filename)

        {

            using (var fs = new FileStream(filename, FileMode.Open, FileAccess.Read, FileShare.None, BUFFER_SIZE, FileOptions.Asynchronous))

            using (var sr = new StreamReader(fs))

            {

                long sum = ;

                while (sr.Peek() > -)

                {

                    string line = await sr.ReadLineAsync();

                    sum += long.Parse(line);

                }

                return sum;

            }

        } 

        static Task SimulateAsynchronousDelete(string filename)

        {

            return Task.Run(() => File.Delete(filename));

        }

    }

}

2.程序运行结果，如下图。

多线程编程学习笔记——使用异步IO

当程序运行时，我们以不同的方式创建了4个文件，并写入一些随机数据。

在第一个例子中，使用的是FileStream类以及其方式，将异步编程模式API转换成任务。

在第二个例子中，使用的是FileStream类以及其方式，不过在构造的时候提供了FileStream.Asynchronous参数。

在第三个例子使用了一些简化的API，比如File.Create方法和StreamWrite类。它也使用I/O线程，我们可以使用Stream.iSaSYNC属性来检查。

在第四个例子说明了过分简化也不好。这里我们借助异步委托调用来模拟异步I/O，其实并没有使用异步I/O。

然后并行地异步地从所有文件中读取数据，统计每个文件内容，然后求总和。

最后，删除所有文件。

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