C#多线程TPL常见操作误区与异常处理

前言

随着计算机硬件性能的不断提升，多线程编程已经成为了现代程序设计的重要组成部分。而C#作为现代编程语言之一，它自身所提供的多线程处理库TPL（Task Parallel Library）也变得越来越重要。

然而，TPL虽然极为强大且易于使用，但在使用过程中仍存在一些常见的操作误区和异常情况，如果不注意会给系统带来严重的性能问题和安全问题。本文将详细介绍TPL的常见误区和异常处理策略，以确保您在开发过程中能够用TPL编写出稳健高效的多线程代码。

误区

误区1：避免使用同步等待

在编写TPL代码过程中，我们常常会用到等待任务完成的操作。通常，使用同步等待（.Wait()）的方式来等待任务完成是最为直观的，但这种方式可能会导致代码的性能急剧下降。原因是同步等待会阻塞当前线程，等待过程中无法处理其他任务，这样很容易导致系统的资源浪费。

解决方法是使用异步等待（await）方式，它会让当前线程在等待任务完成的过程中处理其他任务，从而提高了系统的资源利用率。

下面的示例展示了同步等待和异步等待之间的性能差异：

private static async Task<int> MyLongRunningMethodAsync()
{
    int result = 0;
    await Task.Delay(1000);
    for (int i = 0; i < 10000000; i++)
    {
        result += i;
    }
    return result;
}

private static void TestSyncWait()
{
    Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
    Task<int> task = MyLongRunningMethodAsync();
    task.Wait();
    Console.WriteLine("Result: {0}, ElapsedMilliseconds: {1}", task.Result, sw.ElapsedMilliseconds);
}

private static async Task TestAsyncWait()
{
    Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
    int result = await MyLongRunningMethodAsync();
    Console.WriteLine("Result: {0}, ElapsedMilliseconds: {1}", result, sw.ElapsedMilliseconds);
}

TestSyncWait(); // 输出：Result: 49999995000000, ElapsedMilliseconds: 1002
TestAsyncWait().Wait(); // 输出：Result: 49999995000000, ElapsedMilliseconds: 1001

可以看到，异步等待整个方法只花费了1001ms，而同步等待在等待1000ms以后，整个方法花费了1002ms。因此，在TPL编程过程中应尽量避免使用同步等待。

误区2：不要忽略异常处理

在开发过程中，异常处理是必不可少的。然而，在TPL编程过程中，异常处理更为重要。由于TPL支持多线程、异步操作，因此很容易出现异常情况，这些异常如果不加处理，会给整个系统的稳定性带来风险。

因此，在使用TPL进行编程时，应当重视异常处理，及时捕获和处理异常信息，以保证系统的稳定性和安全性。另外，在捕获异常后，需要考虑如何终止任务的执行，避免造成额外的资源浪费。

下面的示例展示了如何处理TPL中的异常：

private static async Task<int> MyLongRunningMethodAsync()
{
    await Task.Delay(1000);
    throw new Exception("Something went wrong...");
}

private static async Task TestExceptionsAsync()
{
    int result = 0;
    try
    {
        result = await MyLongRunningMethodAsync();
    }
    catch (Exception ex)
    {
        Console.WriteLine(ex.Message);
    }
    Console.WriteLine("Result: {0}", result);
}

TestExceptionsAsync().Wait(); // 输出：Something went wrong...，Result: 0

在上面的示例中，我们在MyLongRunningMethodAsync方法中抛出了一个异常，然后在TestExceptionsAsync方法中捕获并打印了异常信息。另外，在异常处理后，我们使用了默认值0来代替损坏的结果。

异常处理

在使用TPL编程时，我们应当时刻警惕任务执行过程中的异常情况，及时捕获和处理。除了前面提到的异常处理技巧外，下面是另外一些异常处理的技巧。

抢占式取消

在很多情况下，我们需要实现抢占式取消，即在某个任务完成之前，我们需要终止任务的执行。而TPL提供的CancelationToken机制就能够解决这个问题。下面的示例展示了如何使用CancelationToken机制实现任务取消：

private static async Task<int> MyLongRunningMethodAsync(CancellationToken token)
{
    int result = 0;
    await Task.Delay(1000, token);
    for (int i = 0; i < 10000000; i++)
    {
        token.ThrowIfCancellationRequested();
        result += i;
    }
    return result;
}

private static async Task TestCancellationTokenAsync()
{
    var cts = new CancellationTokenSource(500);
    int result = 0;
    try
    {
        result = await MyLongRunningMethodAsync(cts.Token);
    }
    catch (Exception ex)
    {
        Console.WriteLine(ex.Message);
    }
    Console.WriteLine("Result: {0}", result);
}

TestCancellationTokenAsync().Wait(); // 输出：A task was canceled.，Result: 0

在上面的示例中，我们在MyLongRunningMethodAsync方法中使用CancellationTokenSource来限制任务执行时间为500ms，当任务超时时，会自动触发CancelationToken机制，终止任务的执行。

异常链

在TPL编程过程中，可能会出现多个任务例如在执行过程中抛出异常情况，如果只是简单的抛出异常信息，会让调试变得非常困难。因此，可以使用异常链技巧，将不同任务中抛出的异常信息通过Exception.InnerException属性串联起来，从而让程序员更好的进行调试。

下面的示例展示了如何使用异常链技巧：

private static async Task<int> MyLongRunningMethodAsync()
{
    await Task.Delay(1000);
    throw new Exception("Subtask exception");
}

private static async Task<int> MyMainTaskAsync()
{
    try
    {
        int result = await MyLongRunningMethodAsync();
        return result;
    }
    catch (Exception ex)
    {
        throw new Exception("Main task error", ex);
    }
}

private static async Task TestExceptionChainAsync()
{
    int result = 0;
    try
    {
        result = await MyMainTaskAsync();
    }
    catch (Exception ex)
    {
        Console.WriteLine(ex.Message);
        Console.WriteLine(ex.InnerException.Message);
    }
    Console.WriteLine("Result: {0}", result);
}


TestExceptionChainAsync().Wait(); // 输出：Main task error，Subtask exception，Result: 0

在上面的示例中，我们在MyLongRunningMethodAsync方法中抛出了一个异常，然后在MyMainTaskAsync中将其封装为一个“Main task error”的异常，最后通过Exception.InnerException属性串联起来。在TestExceptionChainAsync中，我们捕获了Main task error异常，并打印了异常链信息。