使用Task代替ThreadPool和Thread

一：Task的優勢

ThreadPool相比Thread來說具備了很多優勢，但是ThreadPool卻又存在一些使用上的不方便。比如：

1: ThreadPool不支持線程的取消、完成、失敗通知等交互性操作；

2: ThreadPool不支持線程執行的先後次序；

以往，如果開發者要實現上述功能，需要完成很多額外的工作，現在，FCL中提供了一個功能更強大的概念：Task。Task在線程池的基礎上進行了優化，並提供了更多的API。在FCL4.0中，如果我們要編寫多線程程序，Task顯然已經優於傳統的方式。

以下是一個簡單的任務示例：

static void Main(string[] args)
        {
            Task t = new Task(() =>
                {
                    Console.WriteLine("任務開始工作……");
                    //模擬工作過程
                    Thread.Sleep(5000);
                });
            t.Start();
            t.ContinueWith((task) =>
                {
                    Console.WriteLine("任務完成，完成時候的狀態爲：");
                    Console.WriteLine("IsCanceled={0}\tIsCompleted={1}\tIsFaulted={2}", task.IsCanceled, task.IsCompleted, task.IsFaulted);
                });
            Console.ReadKey();
        }

二：Task的完成狀態

任務Task有這樣一些屬性，讓我們查詢任務完成時的狀態：

1: IsCanceled，因爲被取消而完成；

2: IsCompleted，成功完成；

3: IsFaulted，因爲發生異常而完成

需要注意的是，任務並沒有提供回調事件來通知完成（像BackgroundWorker一樣），它通過啓用一個新任務的方式來完成類似的功能。ContinueWith方法可以在一個任務完成的時候發起一個新任務，這種方式天然就支持了任務的完成通知：我們可以在新任務中獲取原任務的結果值。

       下面是一個稍微複雜一點的例子，同時支持完成通知、取消、獲取任務返回值等功能：

static void Main(string[] args)
        {
            CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
            Task<int> t = new Task<int>(() => Add(cts.Token), cts.Token);
            t.Start();
            t.ContinueWith(TaskEnded);
            //等待按下任意一個鍵取消任務
            Console.ReadKey();
            cts.Cancel();
            Console.ReadKey();
        }

        static void TaskEnded(Task<int> task)
        {
            Console.WriteLine("任務完成，完成時候的狀態爲：");
            Console.WriteLine("IsCanceled={0}\tIsCompleted={1}\tIsFaulted={2}", task.IsCanceled, task.IsCompleted, task.IsFaulted);
            Console.WriteLine("任務的返回值爲：{0}", task.Result);
        }

        static int Add(CancellationToken ct)
        {
            Console.WriteLine("任務開始……");
            int result = 0;
            while (!ct.IsCancellationRequested)
            {
                result++;
                Thread.Sleep(1000);
            }
            return result;
        }

在任務開始後大概3秒鐘的時候按下鍵盤，會得到如下的輸出：

任務開始……
任務完成，完成時候的狀態爲：
IsCanceled=False        IsCompleted=True        IsFaulted=False
任務的返回值爲：3

你也許會奇怪，我們的任務是通過Cancel的方式處理，爲什麼完成的狀態IsCanceled那一欄還是False。這是因爲在工作任務中，我們對於IsCancellationRequested進行了業務邏輯上的處理，並沒有通過ThrowIfCancellationRequested方法進行處理。如果採用後者的方式，如下：

static void Main(string[] args)
        {
            CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
            Task<int> t = new Task<int>(() => AddCancleByThrow(cts.Token), cts.Token);
            t.Start();
            t.ContinueWith(TaskEndedByCatch);
            //等待按下任意一個鍵取消任務
            Console.ReadKey();
            cts.Cancel();
            Console.ReadKey();
        }

        static void TaskEndedByCatch(Task<int> task)
        {
            Console.WriteLine("任務完成，完成時候的狀態爲：");
            Console.WriteLine("IsCanceled={0}\tIsCompleted={1}\tIsFaulted={2}", task.IsCanceled, task.IsCompleted, task.IsFaulted);
            try
            {
                Console.WriteLine("任務的返回值爲：{0}", task.Result);
            }
            catch (AggregateException e)
            {
                e.Handle((err) => err is OperationCanceledException);
            }
        }

        static int AddCancleByThrow(CancellationToken ct)
        {
            Console.WriteLine("任務開始……");
            int result = 0;
            while (true)
            {
                ct.ThrowIfCancellationRequested();
                result++;
                Thread.Sleep(1000);
            }
            return result;
        }

那麼輸出爲：

任務開始……
任務完成，完成時候的狀態爲：
IsCanceled=True       IsCompleted=True        IsFaulted=False

在任務結束求值的方法TaskEndedByCatch中，如果任務是通過ThrowIfCancellationRequested方法結束的，對任務求結果值將會拋出異常OperationCanceledException，而不是得到拋出異常前的結果值。這意味着任務是通過異常的方式被取消掉的，所以可以注意到上面代碼的輸出中，狀態IsCancled爲True。

再一次，我們注意到取消是通過異常的方式實現的，而表示任務中發生了異常的IsFaulted狀態卻還是等於False。這是因爲ThrowIfCancellationRequested是協作式取消方式類型CancellationTokenSource的一個方法，CLR進行了特殊的處理。CLR知道這一行程序開發者有意爲之的代碼，所以不把它看作是一個異常（它被理解爲取消）。要得到IsFaulted等於True的狀態，我們可以修改While循環，模擬一個異常出來：

while (true)
            {
                //ct.ThrowIfCancellationRequested();
                if (result == 5)
                {
                    throw new Exception("error");
                }
                result++;
                Thread.Sleep(1000);
            }

模擬異常後的輸出爲：

任務開始……
任務完成，完成時候的狀態爲：
IsCanceled=False        IsCompleted=True        IsFaulted=True

三：任務工廠

Task還支持任務工廠的概念。任務工廠支持多個任務之間共享相同的狀態，如取消類型CancellationTokenSource就是可以被共享的。通過使用任務工廠，可以同時取消一組任務：

static void Main(string[] args)
        {
            CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
            //等待按下任意一個鍵取消任務
            TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
            Task[] tasks = new Task[]
                {
                    taskFactory.StartNew(() => Add(cts.Token)),
                    taskFactory.StartNew(() => Add(cts.Token)),
                    taskFactory.StartNew(() => Add(cts.Token))
                };
            //CancellationToken.None指示TasksEnded不能被取消
            taskFactory.ContinueWhenAll(tasks, TasksEnded, CancellationToken.None);
            Console.ReadKey();
            cts.Cancel();
            Console.ReadKey();
        }

        static void TasksEnded(Task[] tasks)
        {
            Console.WriteLine("所有任務已完成！");
        }

以上代碼輸出爲：

任務開始……
任務開始……
任務開始……
所有任務已完成（取消）！

本建議演示了Task（任務）和TaskFactory（任務工廠）的使用方法。Task甚至進一步優化了後臺線程池的調度，加快了線程的處理速度。在FCL4.0時代，使用多線程，我們理應更多地使用Task。

下面說下如何正確停止線程

開發者總嘗試對自己的代碼有更多的控制。“讓那個還在工作的線程馬上停止下來”就是諸多要求中的一種。然而事與願違，這裏面至少存在兩個問題：

第一個問題是：正如線程不能立即啓動一樣，線程也並不能說停就停。無論採用何種方式通知工作線程需要停止，工作線程都會忙完手頭最緊要的活，然後在它覺得合適的時候退出。以最傳統的Thread.Abort方法爲例，如果線程當前正在執行的是一段非託管代碼，那麼CLR就不會拋出ThreadAbortException，只有當代碼繼續回到CLR中時，纔會引發ThreadAbortException。當然，即便是在CLR環境中，ThreadAbortException也不會立即引發。

其次，正確停止線程，不在於調用者採取了什麼行爲（如最開始的Thread.Abort()方法），而更多依賴於工作線程是否能主動響應調用者的停止請求。大體機制是，如果線程需要被停止，那麼線程自身就得負責開放給調用者這樣的接口：Cancled，然後線程在工作的同時，還得以某種頻率檢測Cancled標識，若檢測到Cancled，線程自己負責退出。

FCL現在爲我們提供了標準的取消模式：協作式取消（Cooperative Cancellation）。協作式取消的機制就是上文提到的機制。下面是一個最基礎的協作式取消的樣例：

CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
            Thread t = new Thread(() =>
                {
                    while (true)
                    {
                        if (cts.Token.IsCancellationRequested)
                        {
                            Console.WriteLine("線程被終止！");
                            break;
                        }
                        Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString());
                        Thread.Sleep(1000);
                    }
                });
            t.Start();
            Console.ReadLine();
            cts.Cancel();

調用者使用CancellationTokenSource的Cancle方法通知工作線程退出。工作線程則以大致1000毫秒的頻率一邊工作，一邊檢查是否有外界傳入進來的Cancel信號。若有這樣的信號，則負責退出。可以看到，在正確停止線程的機制中，真正起到主要作用的是線程本身。樣例中的工作代碼比較簡單，不過也足以說明問題。更復雜的計算式的工作，也應該以這樣的一種方式，妥善而正確地處理退出。

協作式取消中的關鍵類型是CancellationTokenSource。它有一個關鍵屬性Token，Token是一個名爲CancellationToken的值類型。CancellationToken繼而進一步提供了布爾值的屬性IsCancellationRequested作爲需要取消工作的標識。CancellationToken還有一個方法尤其值得注意，那就是Register方法。它負責傳遞一個Action委託，在線程停止的時候被回調，使用方法如：

cts.Token.Register(() =>
{
    Console.WriteLine("工作線程被終止了。");
});

本建議中的例子使用Thread進行了演示，使用ThreadPool也是一樣的模式，這裏就不再贅述。後面我們還會講到任務Task，它依賴於CancellationTokenSource和CancellationToken完成了所有的取消控制。  

一：Task的優勢

ThreadPool相比Thread來說具備了很多優勢，但是ThreadPool卻又存在一些使用上的不方便。比如：

1: ThreadPool不支持線程的取消、完成、失敗通知等交互性操作；

2: ThreadPool不支持線程執行的先後次序；

以往，如果開發者要實現上述功能，需要完成很多額外的工作，現在，FCL中提供了一個功能更強大的概念：Task。Task在線程池的基礎上進行了優化，並提供了更多的API。在FCL4.0中，如果我們要編寫多線程程序，Task顯然已經優於傳統的方式。

以下是一個簡單的任務示例：

static void Main(string[] args)
        {
            Task t = new Task(() =>
                {
                    Console.WriteLine("任務開始工作……");
                    //模擬工作過程
                    Thread.Sleep(5000);
                });
            t.Start();
            t.ContinueWith((task) =>
                {
                    Console.WriteLine("任務完成，完成時候的狀態爲：");
                    Console.WriteLine("IsCanceled={0}\tIsCompleted={1}\tIsFaulted={2}", task.IsCanceled, task.IsCompleted, task.IsFaulted);
                });
            Console.ReadKey();
        }

二：Task的完成狀態

任務Task有這樣一些屬性，讓我們查詢任務完成時的狀態：

1: IsCanceled，因爲被取消而完成；

2: IsCompleted，成功完成；

3: IsFaulted，因爲發生異常而完成

需要注意的是，任務並沒有提供回調事件來通知完成（像BackgroundWorker一樣），它通過啓用一個新任務的方式來完成類似的功能。ContinueWith方法可以在一個任務完成的時候發起一個新任務，這種方式天然就支持了任務的完成通知：我們可以在新任務中獲取原任務的結果值。

       下面是一個稍微複雜一點的例子，同時支持完成通知、取消、獲取任務返回值等功能：

static void Main(string[] args)
        {
            CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
            Task<int> t = new Task<int>(() => Add(cts.Token), cts.Token);
            t.Start();
            t.ContinueWith(TaskEnded);
            //等待按下任意一個鍵取消任務
            Console.ReadKey();
            cts.Cancel();
            Console.ReadKey();
        }

        static void TaskEnded(Task<int> task)
        {
            Console.WriteLine("任務完成，完成時候的狀態爲：");
            Console.WriteLine("IsCanceled={0}\tIsCompleted={1}\tIsFaulted={2}", task.IsCanceled, task.IsCompleted, task.IsFaulted);
            Console.WriteLine("任務的返回值爲：{0}", task.Result);
        }

        static int Add(CancellationToken ct)
        {
            Console.WriteLine("任務開始……");
            int result = 0;
            while (!ct.IsCancellationRequested)
            {
                result++;
                Thread.Sleep(1000);
            }
            return result;
        }

在任務開始後大概3秒鐘的時候按下鍵盤，會得到如下的輸出：

任務開始……
任務完成，完成時候的狀態爲：
IsCanceled=False        IsCompleted=True        IsFaulted=False
任務的返回值爲：3

你也許會奇怪，我們的任務是通過Cancel的方式處理，爲什麼完成的狀態IsCanceled那一欄還是False。這是因爲在工作任務中，我們對於IsCancellationRequested進行了業務邏輯上的處理，並沒有通過ThrowIfCancellationRequested方法進行處理。如果採用後者的方式，如下：

static void Main(string[] args)
        {
            CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
            Task<int> t = new Task<int>(() => AddCancleByThrow(cts.Token), cts.Token);
            t.Start();
            t.ContinueWith(TaskEndedByCatch);
            //等待按下任意一個鍵取消任務
            Console.ReadKey();
            cts.Cancel();
            Console.ReadKey();
        }

        static void TaskEndedByCatch(Task<int> task)
        {
            Console.WriteLine("任務完成，完成時候的狀態爲：");
            Console.WriteLine("IsCanceled={0}\tIsCompleted={1}\tIsFaulted={2}", task.IsCanceled, task.IsCompleted, task.IsFaulted);
            try
            {
                Console.WriteLine("任務的返回值爲：{0}", task.Result);
            }
            catch (AggregateException e)
            {
                e.Handle((err) => err is OperationCanceledException);
            }
        }

        static int AddCancleByThrow(CancellationToken ct)
        {
            Console.WriteLine("任務開始……");
            int result = 0;
            while (true)
            {
                ct.ThrowIfCancellationRequested();
                result++;
                Thread.Sleep(1000);
            }
            return result;
        }

那麼輸出爲：

任務開始……
任務完成，完成時候的狀態爲：
IsCanceled=True       IsCompleted=True        IsFaulted=False

在任務結束求值的方法TaskEndedByCatch中，如果任務是通過ThrowIfCancellationRequested方法結束的，對任務求結果值將會拋出異常OperationCanceledException，而不是得到拋出異常前的結果值。這意味着任務是通過異常的方式被取消掉的，所以可以注意到上面代碼的輸出中，狀態IsCancled爲True。

再一次，我們注意到取消是通過異常的方式實現的，而表示任務中發生了異常的IsFaulted狀態卻還是等於False。這是因爲ThrowIfCancellationRequested是協作式取消方式類型CancellationTokenSource的一個方法，CLR進行了特殊的處理。CLR知道這一行程序開發者有意爲之的代碼，所以不把它看作是一個異常（它被理解爲取消）。要得到IsFaulted等於True的狀態，我們可以修改While循環，模擬一個異常出來：

while (true)
            {
                //ct.ThrowIfCancellationRequested();
                if (result == 5)
                {
                    throw new Exception("error");
                }
                result++;
                Thread.Sleep(1000);
            }

模擬異常後的輸出爲：

任務開始……
任務完成，完成時候的狀態爲：
IsCanceled=False        IsCompleted=True        IsFaulted=True

三：任務工廠

Task還支持任務工廠的概念。任務工廠支持多個任務之間共享相同的狀態，如取消類型CancellationTokenSource就是可以被共享的。通過使用任務工廠，可以同時取消一組任務：

static void Main(string[] args)
        {
            CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
            //等待按下任意一個鍵取消任務
            TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
            Task[] tasks = new Task[]
                {
                    taskFactory.StartNew(() => Add(cts.Token)),
                    taskFactory.StartNew(() => Add(cts.Token)),
                    taskFactory.StartNew(() => Add(cts.Token))
                };
            //CancellationToken.None指示TasksEnded不能被取消
            taskFactory.ContinueWhenAll(tasks, TasksEnded, CancellationToken.None);
            Console.ReadKey();
            cts.Cancel();
            Console.ReadKey();
        }

        static void TasksEnded(Task[] tasks)
        {
            Console.WriteLine("所有任務已完成！");
        }

以上代碼輸出爲：

任務開始……
任務開始……
任務開始……
所有任務已完成（取消）！

本建議演示了Task（任務）和TaskFactory（任務工廠）的使用方法。Task甚至進一步優化了後臺線程池的調度，加快了線程的處理速度。在FCL4.0時代，使用多線程，我們理應更多地使用Task。

下面說下如何正確停止線程

開發者總嘗試對自己的代碼有更多的控制。“讓那個還在工作的線程馬上停止下來”就是諸多要求中的一種。然而事與願違，這裏面至少存在兩個問題：

第一個問題是：正如線程不能立即啓動一樣，線程也並不能說停就停。無論採用何種方式通知工作線程需要停止，工作線程都會忙完手頭最緊要的活，然後在它覺得合適的時候退出。以最傳統的Thread.Abort方法爲例，如果線程當前正在執行的是一段非託管代碼，那麼CLR就不會拋出ThreadAbortException，只有當代碼繼續回到CLR中時，纔會引發ThreadAbortException。當然，即便是在CLR環境中，ThreadAbortException也不會立即引發。

其次，正確停止線程，不在於調用者採取了什麼行爲（如最開始的Thread.Abort()方法），而更多依賴於工作線程是否能主動響應調用者的停止請求。大體機制是，如果線程需要被停止，那麼線程自身就得負責開放給調用者這樣的接口：Cancled，然後線程在工作的同時，還得以某種頻率檢測Cancled標識，若檢測到Cancled，線程自己負責退出。

FCL現在爲我們提供了標準的取消模式：協作式取消（Cooperative Cancellation）。協作式取消的機制就是上文提到的機制。下面是一個最基礎的協作式取消的樣例：

CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
            Thread t = new Thread(() =>
                {
                    while (true)
                    {
                        if (cts.Token.IsCancellationRequested)
                        {
                            Console.WriteLine("線程被終止！");
                            break;
                        }
                        Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString());
                        Thread.Sleep(1000);
                    }
                });
            t.Start();
            Console.ReadLine();
            cts.Cancel();

調用者使用CancellationTokenSource的Cancle方法通知工作線程退出。工作線程則以大致1000毫秒的頻率一邊工作，一邊檢查是否有外界傳入進來的Cancel信號。若有這樣的信號，則負責退出。可以看到，在正確停止線程的機制中，真正起到主要作用的是線程本身。樣例中的工作代碼比較簡單，不過也足以說明問題。更復雜的計算式的工作，也應該以這樣的一種方式，妥善而正確地處理退出。

協作式取消中的關鍵類型是CancellationTokenSource。它有一個關鍵屬性Token，Token是一個名爲CancellationToken的值類型。CancellationToken繼而進一步提供了布爾值的屬性IsCancellationRequested作爲需要取消工作的標識。CancellationToken還有一個方法尤其值得注意，那就是Register方法。它負責傳遞一個Action委託，在線程停止的時候被回調，使用方法如：

cts.Token.Register(() =>
{
    Console.WriteLine("工作線程被終止了。");
});

本建議中的例子使用Thread進行了演示，使用ThreadPool也是一樣的模式，這裏就不再贅述。後面我們還會講到任務Task，它依賴於CancellationTokenSource和CancellationToken完成了所有的取消控制。