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System.Threading.Tasks 库简介

news 2025/6/28 11:20:03

System.Threading.Tasks 是 .NET 中任务并行库(Task Parallel Library, TPL)的核心组件，它提供了基于任务的异步编程模型，是现代 .NET 并发编程的基础。

设计原理

1. 核心目标

抽象并发工作：将并发操作抽象为"任务"概念
资源高效利用：自动管理线程池资源
组合性：支持任务链式操作和组合
取消支持：内置取消操作机制
状态跟踪：提供任务生命周期管理

2. 关键组件

Task/Task<T>：表示异步操作的核心类
TaskScheduler：控制任务如何、何时被执行
TaskFactory：提供创建和启动任务的便捷方法
CancellationToken：任务取消机制
TaskCompletionSource：手动控制任务生命周期

3. 架构层次

用户层：开发者直接使用的Task API
调度层：TaskScheduler管理任务执行
线程池层：实际执行工作的底层线程池

典型用法示例

示例1：基础异步任务

// 创建并运行简单任务
Task.Run(() => 
{Console.WriteLine("任务在后台线程执行");Thread.Sleep(1000); // 模拟工作Console.WriteLine("任务完成");
});// 带返回值的任务
Task<int> calculateTask = Task.Run(() => 
{Thread.Sleep(500);return 42; // 计算结果
});// 等待任务完成并获取结果
int result = await calculateTask;
Console.WriteLine($"计算结果: {result}");

应用场景：CPU密集型后台计算，不阻塞UI线程。

示例2：任务组合与延续

// 创建三个任务
Task<string> task1 = Task.Run(() => "Hello");
Task<string> task2 = Task.Run(() => "World");
Task<int> task3 = Task.Run(() => 2023);// 等待所有任务完成
await Task.WhenAll(task1, task2, task3);// 使用结果组合输出
Console.WriteLine($"{task1.Result} {task2.Result} {task3.Result}");// 任务延续
Task continuation = task1.ContinueWith(t => 
{Console.WriteLine($"前一个任务的结果: {t.Result}");
}, TaskContinuationOptions.OnlyOnRanToCompletion);

应用场景：并行执行多个独立操作，然后合并结果或执行后续操作。

示例3：高级任务控制

// 使用TaskCompletionSource手动控制任务
var tcs = new TaskCompletionSource<string>();// 模拟异步回调
Timer timer = new Timer(_ => 
{try{// 模拟工作string result = DateTime.Now.ToString();tcs.SetResult(result); // 手动完成任务}catch (Exception ex){tcs.SetException(ex); // 手动设置异常}
}, null, 1000, Timeout.Infinite);// 等待任务完成
try
{string timeString = await tcs.Task;Console.WriteLine($"当前时间: {timeString}");
}
catch (Exception ex)
{Console.WriteLine($"任务失败: {ex.Message}");
}

应用场景：将基于回调的异步API转换为基于任务的异步模式(TAP)。

示例4：取消任务

var cts = new CancellationTokenSource();
CancellationToken token = cts.Token;// 创建可取消的任务
Task longRunningTask = Task.Run(() => 
{for (int i = 0; i < 100; i++){token.ThrowIfCancellationRequested(); // 检查取消请求Thread.Sleep(100); // 模拟工作Console.WriteLine($"进度: {i}%");}
}, token);// 3秒后取消任务
cts.CancelAfter(3000);try
{await longRunningTask;
}
catch (OperationCanceledException)
{Console.WriteLine("任务被取消");
}

应用场景：长时间运行的操作需要提供取消功能。

核心概念深入

1. 任务状态机

任务有以下几种状态：

Created：已创建但未调度
WaitingForActivation：等待激活
WaitingToRun：已调度但未开始执行
Running：正在执行
WaitingForChildrenToComplete：等待子任务完成
RanToCompletion：成功完成
Canceled：被取消
Faulted：因异常失败

2. 任务调度策略

线程池调度器：默认调度器，使用线程池线程
同步上下文调度器：在特定同步上下文(如UI线程)执行
自定义调度器：可继承TaskScheduler实现特殊调度逻辑

3. 异常处理

任务中的异常会被捕获并存储在 Task.Exception 属性中，当等待任务或访问Result属性时，这些异常会被重新抛出。

Task faultyTask = Task.Run(() => throw new InvalidOperationException("出错了"));try
{await faultyTask;
}
catch (InvalidOperationException ex)
{Console.WriteLine($"捕获到异常: {ex.Message}");
}