(译)构建Async同步基元，Part 1 AsyncManualResetEvent

叁歲伎倆 2022-04-10 08:41 134阅读 0赞

[传送门：异步编程系列目录……][Link 1]

最近在学习.NET4.5关于“并行任务”的使用。“并行任务”有自己的同步机制，没有显示给出类似如旧版本的：事件等待句柄、信号量、lock、ReaderWriterLock……等同步基元对象，但我们可以沿溪这一编程习惯，那么这系列翻译就是给“并行任务”封装同步基元对象。翻译资源来源[《（译）关于Async与Await的FAQ》][Async_Await_FAQ]

1.[构建Async同步基元，Part 1 AsyncManualResetEvent][Async_Part 1 AsyncManualResetEvent]

2.[构建Async同步基元，Part 2 AsyncAutoResetEvent][Async_Part 2 AsyncAutoResetEvent]

3.[构建Async同步基元，Part 3 AsyncCountdownEvent][Async_Part 3 AsyncCountdownEvent]

4.[构建Async同步基元，Part 4 AsyncBarrier][Async_Part 4 AsyncBarrier]

5.[构建Async同步基元，Part 5 AsyncSemaphore][Async_Part 5 AsyncSemaphore]

6.[构建Async同步基元，Part 6 AsyncLock][Async_Part 6 AsyncLock]

7.[构建Async同步基元，Part 7 AsyncReaderWriterLock][Async_Part 7 AsyncReaderWriterLock]

[源码：构建Async同步基元.rar][Async_.rar]

开始：Async同步基元，Part 1 AsyncManualResetEvent

基于任务异步模式(TAP)不仅仅是关于开始然后异步等待完成的异步操作，更概括的说，任务可以用来指代各种事件，使你能够等待任何事的条件发生。我们甚至可以使用任务来构建简单的同步基元，这些同步基元类似.NET原生提供的非任务版本，但是它们允许等待异步完成。

线程同步基元之一：事件等待句柄，它们存在于.NET Framework。ManualResetEvent 和AutoResetEvent和.NET 4为ManualResetEvent新增的优化版本ManualResetEventSlim。事件等待句柄就是一方等待另一方提供信号。比如ManualResetEvent，他会在调用Set()后保持信号直到显示调用Reset()。

TaskCompletionSource<TResult>本身基于SpinWait结构与Task的IsCompleted属性实现类似事件等待句柄，仅仅是缺少Reset()方法。

// 表示未绑定到委托的 System.Threading.Tasks.Task<TResult> 的制造者方，
        // 并通过 Tasks.TaskCompletionSource<TResult>.Task属性提供对使用者方的访问。
        public class TaskCompletionSource<TResult>
        {
            public TaskCompletionSource();
    
            // 获取由此 Tasks.TaskCompletionSource<TResult> 创建的 Tasks.Task<TResult>。
            public Task<TResult> Task { get; }
    
            // 将基础 Tasks.Task<TResult> 转换为 Tasks.TaskStatus.Canceled状态。
            public void SetCanceled();
            public bool TrySetCanceled();
    
            // 将基础 Tasks.Task<TResult> 转换为 Tasks.TaskStatus.Faulted状态。
            public void SetException(Exception exception);
            public void SetException(IEnumerable<Exception> exceptions);
            public bool TrySetException(Exception exception);
            public bool TrySetException(IEnumerable<Exception> exceptions);
    
            // 尝试将基础 Tasks.Task<TResult> 转换为 TaskStatus.RanToCompletion状态。
            public bool TrySetResult(TResult result);
            ……        
        }

TaskCompletionSource<TResult>开始于无信号，它指代的任务不能完成，因此，等待这个任务的“异步方法”也不能完成。(Try)Set\*方法充当信号，将任务切换到完成状态，这样才能完成等待任务。因此我们可以很容易基于TaskCompletionSource<TResult>来构建一个AsyncManualResetEvent。它可以为我们提供缺失的Reset()能力。接下来我们构建此AsyncManualResetEvent。

这是我们将构建的目标类型：

public class AsyncManualResetEvent
    { 
        public Task WaitAsync(); 
        public void Set();
        public void Reset(); 
    }

WaitAsync()和Set()方法非常简单，直接封装TaskCompletionSource<bool>实例成员，如下：

剩下的只有Reset()方法了。我们的目标是使随后调用的WaitAsync()中返回的Task无法完成。因为Task最终状态只有完成状态（即，正常完成、取消、异常），所以我们需要切换一个新的TaskCompletionSource<bool>实例。这样做，我们只需要确保如果多个线程同时调用Reset()、Set()和WaitAsync()，WaitAsync()不会返回孤立的Task（即，我们不希望一个线程调用WaitAsync()返回一个不能完成的Task（已经被Reset()）后，另一个线程又在新的Task上调用Set()）。为了达到此目的，我们将确保如果当前Task已经完成就切换一个新的Task，并且还确保这个切换操作的原子性。（当然，还有其他策略实现此目标，这仅仅是我选择的一个特定例子）

注意：关键字volatile和Interlocked类的使用。

public class AsyncManualResetEvent
    { 
        private volatile TaskCompletionSource<bool> m_tcs = new TaskCompletionSource<bool>(); 
    
        public Task WaitAsync() { return m_tcs.Task; } 
        public void Set() { m_tcs.TrySetResult(true); }  
        public void Reset() 
        { 
            while (true) 
            { 
                var tcs = m_tcs; 
                if (!tcs.Task.IsCompleted || 
                    Interlocked.CompareExchange(ref m_tcs, new TaskCompletionSource<bool>(), tcs) == tcs) 
                    return; 
            } 
        } 
    }

到此，我们的AsyncManualResetEvent已经完成。然而，还有一个重要的潜在行为要记住。在之前的文章中，我们谈论过延续任务和他们是如何同步执行，这意味着延续任务将作为任务完成的一部分执行，在同一个线程上同步完成任务。对于TaskCompletionSource<TResult>，这意味着同步延续任务将作为(Try)Set\*方法的一部分执行，也就是说，在AsyncManualResetEvent例子中，延续任务将作为Set()方法的一部分执行。根据你的需求，如果你不希望这种事情发生，有一些替代的方法。一种方法是异步运行(Try)Set\*方法，并使Set()调用阻塞，直到任务真真完成（**只是任务本身**，不包括任务的延续任务）。Eg：

public void Set() 
    { 
        var tcs = m_tcs;
        Task.Factory.StartNew(s => ((TaskCompletionSource<bool>)s).TrySetResult(true), tcs
           , CancellationToken.None, TaskCreationOptions.PreferFairness, TaskScheduler.Default); 
        tcs.Task.Wait(); 
    }

当然，还有其他可能的方法，如何实现取决于你的需求。

这就是本节要讲的AsyncManualResetEvent。

完整源码如下：

public class AsyncManualResetEvent
        {
            private volatile TaskCompletionSource<bool> m_tcs = new TaskCompletionSource<bool>();
    
            public Task WaitAsync() { return m_tcs.Task; }
    
            public void Set()
            {
                var tcs = m_tcs;
                Task.Factory.StartNew(s => ((TaskCompletionSource<bool>)s).TrySetResult(true), tcs
                   , CancellationToken.None, TaskCreationOptions.PreferFairness, TaskScheduler.Default);
                tcs.Task.Wait();
            }
    
            public void Reset()
            {
                while (true)
                {
                    var tcs = m_tcs;
                    // 短逻辑单元 确保如果当前Task已经完成就切换一个新的Task。
                    if (!tcs.Task.IsCompleted ||
                        Interlocked.CompareExchange(ref m_tcs, new TaskCompletionSource<bool>(), tcs) == tcs)
                        return;
                }
            }
        }

下一节，我将实现一个async版本的AutoResetEvent。