探究SynchronizationContext在.Net异步编程中的地位

原文:探究SynchronizationContext在.Net异步编程中的地位

引言：

　　多线程编程/异步编程非常复杂，有很多概念和工具需要去学习，贴心的.NET提供Task线程包装类和await/async异步编程语法糖简化了异步编程方式。

相信很多开发者都看到如下异步编程实践原则：

	实践原则	说明	例外情况
①	避免 Async Void	最好使用 async Task 方法而不是 async void 方法	事件处理程序
②	始终使用 await	不要混合阻塞式代码和异步代码	控制台 main 方法
③	配置上下文	尽可能使用ConfigureAwait(false)	需要上下文的方法

　　遵守以上冷冰冰的②③条的原则，可保证异步程序按照预期状态正常运作；我们在各大编程论坛常看到违背这2条原则引发的莫民奇妙的死锁问题。

　　UI 例子：点击按钮触发了一个远程HTTP请求，用请求的返回值修改UI控件, 以下代码会引发deadlock （类似状态出现在Windows Form、WPF）

public static async Task<JObject> GetJsonAsync(Uri uri)

{

  using (var client = new HttpClient())

  {

    var jsonString = await client.GetStringAsync(uri);

    return JObject.Parse(jsonString);

  }

}

// 顶层调用方法

public void Button1_Click(...)

{

  var jsonTask = GetJsonAsync(...);

  textBox1.Text = jsonTask.Result;

}

　　ASP.NET例子：API Action发起远程HTTP请求，等待请求的json结果，并解析json字符串，以下代码也会引发deadlock

public static async Task<JObject> GetJsonAsync(Uri uri)

{

  using (var client = new HttpClient())

  {

    var jsonString = await client.GetStringAsync(uri);

    return JObject.Parse(jsonString);

  }

}

// My "top-level" method.

public class MyController : ApiController

{

  public string Get()

  {

    var jsonTask = GetJsonAsync(...);

    return jsonTask.Result.ToString();

  }

}

解决以上deadlock需利用以上第②③条编程原则：

不要混合使用异步、同步代码，始终使用async/await语法糖编写异步代码
在等待的异步任务内应用ConfigureAwait(false)方法（：不再尝试从捕获的同步上下文执行异步编程的后续代码）

　　第②③条原则与我们今天的主角SynchronizationContext 密切相关，大多数时候SynchronizationContext 是在异步编程后面默默工作的，但是了解这个对象对于理解Task、await/sync 工作原理大有裨益。本文会解释

为什么要有SynchronizationContext 对象
阐述await关键字与SynchronizationContext对象交互原理
以上代码为什么会有deadlock，另外ASP.NET Core为什么不会发生以上死锁

1. The Need for SynchronizationContext

　　先看下MSDN中关于SynchronizationContext的定义：

提供在各种同步模型中传播同步上下文的基本功能。此类实现的同步模型的目的是允许公共语言运行库的内部异步/同步操作使用不同的同步模型正常运行。

　　上面的定义给我的印象是：在线程切换过程中保存前置线程执行的上下文环境。

　　我们大家都知道：Windows Form和WPF都基于类似的原则：不允许在非UI线程上操作 UI元素

　　这个时候我们可以捕获当前执行环境SynchronizationContext，利用这个对象切换回原UI线程。

public static void DoWork()

{

    //On UI thread

    var sc = SynchronizationContext.Current;

    ThreadPool.QueueUserWorkItem(delegate

    {

       // do work on ThreadPool

        sc.Post(delegate

        {

             // do work on the original context (UI)

        }, null);

    });

}

SynchronizationContext表示代码正在运行的当前环境，每个线程都有自己的SynchronizationContext，通过SynchronizationContext.Current可获取当前线程的同步上下文。利用该对象，可在线程池线程B执行完成后，尝试切换到原调用线程A执行特定代码。

2. await/async语法糖与SynchronizationContext 的关系？

　　以上ThreadPool.QueueUserWorkItem 涉及线程底层，微软提出Task线程包装类和 await/async 简化了异步编程的方式：

　　① 调用异步方法GetStringAsync时，.NET框架为我们创建了异步任务T；

　　② 应用await时，框架捕获当前环境，存储在SynchronizationContext 对象并附加于以上Task；

　　③ 同时，控制权返回到原上层调用函数，返回一个未完成的Task<int>对象，这个时候需要关注上层调用函数使用 await异步等待还是使用Result/Wait（）方式同步等待

　　④ 异步任务T执行完成，await之后的代码将会成为continuation block，默认情况下利用捕获的SynchronizationContext 对象执行该continuation block 代码。

　　　　内部实际是将continuation block代码放入 SynchronizationContext 的Post方法。

　　　　不同的.NET框架因各自独特的需求有不同的 Post实现（Post是一个虚方法）：

- 默认的SynchronizationContext.Post实现是将委托通过QueueUserWorkItem传递给 ThreadPool。

- Windows Form有WindowsFormSynchronizationContext， Post方法将委托传递给 Control.BeginInvoke

- WPF 有DispatcherSynchronizationContext ， Post方法将委托传递给 Dispatcher.BeginInvoke

3.引言代码为什么发生deadlock，而ASP.NET Core为什么不会发生类似deadlock?

仔细观察引言代码，控制返回到上层调用函数时，该调用函数使用Result属性去等待任务结果，Result/Wait（）等同步方式会导致调用线程挂起等待任务完成。而在异步方法内部，await触发的异步任务执行完成后，会尝试利用捕获的同步上下文执行剩余代码，而该同步上下文中的线程正同步等待整个异步任务完成，形成死锁。

正因为如此，我们提出：

　　- 在原调用函数始终使用 await方法，这样该线程是异步等待任务完成。

　　- 在异步任务内部应用ConfigureAwait(false)方法：

MSDN ConfigureAwait()： true to attempt to marshal the continuation back to the original context captured; otherwise, false

　　另外注意：ASP.NET Core不存在SynchronizationContext ，故不会发生类似的死锁。

总结：

　　虽然await/async 语法糖让我们在编写.NET 异步程序时得心应手、随心所欲，但是不要忘记了SynchronizationContext 在其中转承起合的作用。

利用能够保存当前执行代码的上下文特性，SynchronizationContext在线程切换后帮我们有能力执行各种骚操作。

作者：Julian_酱

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