.NET Task 揭秘（1）：什么是Task

黑洞视界2023-09-25 11:26

前言

本系列会拆分为以下几篇分次进行叙述：

  1. 什么是 Task（本文）
  2. Task 的回调执行与 await
  3. async 与 AsyncMethodBuilder

在 2 中，会和大家分享死锁相关的问题。2 和 3 中会穿插自定义 Awaitable 的话题。

本系列会直接引用前一篇博客概述 .NET 6 ThreadPool 实现 里的结论，所以请没看过的同学先麻烦看下。

文中所有例子均出于解释目的，并非具有实际意义的代码。有返回值的 Task 和无返回值的 Task 实际区别不是很大，下文大多数举例不做特别区分。不纠结 api 的使用细节，只讲 Task 的整体设计思路。

代码运行截图是在 .NET 6 中的，其他版本的设计没有大的改动，不影响学习。

笔者解读并非权威解读，只是希望能给大家一个理解 Task 的方法。

从表象讲起

Task 从何而来

以下仅做典型举例，并非全部

  • new Task
C# 复制代码 
new Task(_ =>
{
    Console.WriteLine("Hello World!");
}, null).Start();
  • TaskFactory.StartNew
C# 复制代码 
new TaskFactory().StartNew(() =>
{
    Console.WriteLine("Hello World!");
});
  • Task.Run
C# 复制代码 
Task.Run(() =>
{
    Console.WriteLine("Hello World!");
});
  • Task.FromResult 等直接创建一个已完成的 Task
C# 复制代码 
Task.FromResult("Hello World!");
var task = Task.CompletedTask;
  • 某个不知道其内部实现的 async 方法
C# 复制代码 
async Task<Bar> FooAsync();

Task 常见用法

  • 注册一个回调，等待 Task 执行完成时获取结果并执行回调
C# 复制代码 
var task = Task.Run<string>(() => "Hello World!");
task.ContinueWith(t => Console.WriteLine(t.Result));
  • await 一个 Task 并得到结果
C# 复制代码 
var task = Task.Run<string>(() => "Hello World!");
var result = await task;
Console.WriteLine(result);
  • 直接 GetResult
C# 复制代码 
var task = Task.Run<string>(() => "Hello World!");
// 等效于 task.Result
var result = task.GetAwaiter().GetResult();
Console.WriteLine(result);

Task 的分类

按是否包含 Result 分，也就是是否是泛型 Task

  • Task
  • Task<T>

按得到 Task 的方式，可以分为

  • 我知道这个 Task 是怎么来的，这种情况下，我们自己参与了 Task 的创建过程，知道这个 Task 是在干啥。比如：
C# 复制代码 
Task task = Task.Run<int>(() => 1 + 2);

计算 1 + 2，并将结果作为 Task 的结果。

  • 不知道这个 Task 是怎么来的。比如：
C# 复制代码 
Task task = new HttpClient().GetStringAsync("http://localhost:5000/api/values");

而这两种获取方式的不同对应的是两种完全不同的侧重点：

  1. Task 是一个白盒，关注 Task 里干了什么，在哪执行里面这些代码。
  2. Task 是一个黑盒，关注 Task 能给到我什么，Task 完成执行之后，我该干什么。

对 Task 进行分解

按功能点可以将 Task 分为三个部分

  • 任务执行：通过 Task.Run 等方式执行一段我们自定义的逻辑。
  • 回调通知及回调执行：注册一个回调，等待 Task 完成时执行。
  • await 语法支持：脱离了 await，task 的上述两个功能依旧可以完整执行。但却会丧失代码的简洁性。

Task 在哪执行？

线程池

Task 可以作为 ThreadPool 队列系统的基本单元被 ThreadPool 调度执行。

下面这些常见的创建 Task 的方式，默认情况都是在 ThreadPool 中被调度执行的，这几个本质上是一样的，只是使用方式上和可支持传入的自定义选项上的区别。

  • new Task
C# 复制代码 
new Task(_ =>
{
    Console.WriteLine("Hello World!");
}, null).Start();
  • TaskFactory.StartNew
C# 复制代码 
new TaskFactory().StartNew(() =>
{
    Console.WriteLine("Hello World!");
});
  • Task.Run
C# 复制代码 
// 可以看做简化版的 TaskFactory.StartNew
Task.Run(() =>
{
    Console.WriteLine("Hello World!");
});

以 Task.Run 为例来看下里面到底做了些什么。 在 PortableThreadPool.TryCreateWorkerThread 和实际要要执行的 lambda 表达式中打上断点，我们便可以清晰的看到整个执行过程。

整理一下的话，主要就是这个样子，为简化理解，ThreadPool 中的调用细节已省略。

Task 关键代码摘录：

C# 复制代码 
class Task
{
    // 任务的主体，我们要执行的实际逻辑
    // 可能有返回值，可能没有
    internal Delegate m_action;

    // 任务的状态
    internal volatile int m_stateFlags;

    // ThreadPool 调用入口，由于 JIT 的内联优化，调用栈里只能看到 ExecuteEntryUnsafe，看不到这个方法
    internal virtual void ExecuteFromThreadPool(Thread threadPoolThread) => ExecuteEntryUnsafe(threadPoolThread);

    internal void ExecuteEntryUnsafe(Thread? threadPoolThread)
    {
        // 设置 Task 状态为已经执行
        m_stateFlags |= (int)TaskStateFlags.DelegateInvoked;

        if (!IsCancellationRequested & !IsCanceled)
        {
            ExecuteWithThreadLocal(ref t_currentTask, threadPoolThread);
        }
        else
        {
            ExecuteEntryCancellationRequestedOrCanceled();
        }
    }

    // 创建 Task 的时候可传入的数据，用于执行时使用
    // new Task(state => Console.WriteLine(state), "Hello World").Start();
    internal object? m_stateObject;

    private void ExecuteWithThreadLocal(ref Task currentTaskSlot, Thread threadPoolThread = null)
    {
        // 执行上下文维护着代码执行逻辑上下文的一些数据，如 AsyncLocal
        // 具体请看我的 AsyncLocal 博客 https://www.cnblogs.com/eventhorizon/p/12240767.html
        ExecutionContext? ec = CapturedContext;
        if (ec == null)
        {
            // 没有执行上下文，直接执行
            InnerInvoke();
        }
        else
        {
            // 是否是在 ThreadPool 线程上执行
            if (threadPoolThread is null)
            {
                ExecutionContext.RunInternal(ec, s_ecCallback, this);
            }
            else
            {
                ExecutionContext.RunFromThreadPoolDispatchLoop(threadPoolThread, ec, s_ecCallback, this);
            }
        }
    }

    // 不管 ExecuteWithThreadLocal 分支如何，最后会走到 InnerInvoke
    internal virtual void InnerInvoke()
    {
        if (m_action is Action action)
        {
            action();
            return;
        }

        if (m_action is Action<object?> actionWithState)
        {
            actionWithState(m_stateObject);
        }
    }
}

可以看到 Task 以 ThreadPoolTaskScheduler 为媒介，进入了 ThreadPool。ThreadPool 调用 Task.ExecuteFromThreadPool 方法最终触发 Task 所封装的 action 的执行。

与 ThreadPool 中另一种基本单元 IThreadPoolWorkItem 一样，Task 在进入 ThreadPoolWorkQueue 时会有两种可能，进入全局队列或者本地队列。

理解这个问题，我们需要看一下 ThreadPoolTaskScheduler.QueueTask 里做了些什么。

C# 复制代码 
internal sealed class ThreadPoolTaskScheduler : TaskScheduler
{
    protected internal override void QueueTask(Task task)
    {
        TaskCreationOptions options = task.Options;
        if (Thread.IsThreadStartSupported && (options & TaskCreationOptions.LongRunning) != 0)
        {
            // 创建独立线程，和线程池无关
            new Thread(s_longRunningThreadWork)
            {
                IsBackground = true,
                Name = ".NET Long Running Task"
            }.UnsafeStart(task);
        }
        else
        {
            // 第二个参数是 preferLocal
            // options & TaskCreationOptions.PreferFairness 这个位标志的枚举用法可查看官方资料
            // https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/builtin-types/enum#enumeration-types-as-bit-flags
            ThreadPool.UnsafeQueueUserWorkItemInternal(task, (options & TaskCreationOptions.PreferFairness) == 0);
        }
    }
}

上面代码里的 TaskCreationOptions 是我们在创建 Task 的时候可以指定的一个选项，默认是 None。

Task.Run 不支持传入该选项，可使用 TaskFactory.StartNew 的重载进行指定：

C# 复制代码 
new TaskFactory().StartNew(() =>
{
    Console.WriteLine("Hello World!");
}, TaskCreationOptions.PreferFairness);

根据 TaskCreationOptions 的不同，出现了三个分支

  • LongRunning：独立线程，和线程池无关
  • 包含 PreferFairness时：preferLocal=false，进入全局队列
  • 不包含 PreferFairness时：preferLocal=ture，进入本地队列

进入全局队列的任务能够公平地被各个线程池中的线程领取执行，也是就是 prefer fairness 这个词组的字面意思了。

下图中 Task666 先进入全局队列，随后被 Thread1 领走。Thread3 通过 WorkStealing 机制窃取了 Thread2 中的 Task2。

一个独立的后台线程中

也就是上文提到的创建 Task 时使用 TaskCreationOptions.LongRunning，如果你需要一个执行一个长时间的任务，比如一段耗时很久的同步代码，就可以使用这个。执行异步代码（指 await xxx）时不推荐使用，后面会讲原因。

C# 复制代码 
new TaskFactory().StartNew(() =>
{
    // 耗时较长的同步代码
}, TaskCreationOptions.LongRunning);

ThreadPool 管理的线程是出于可复用的目的设计的，不停地从队列系统中领取任务执行。如果一个 WorkThread 阻塞在一个耗时较长的任务上，它就没办法处理其他任务，ThreadPool 的吞吐率会受影响。

当然并不意味着 ThreadPool 不能处理这样的任务。举个极端的例子，如果线程池目前的 WorkThread 全在处理 LongRunning Task。在 Starvation Avoidance 机制（每隔500ms）创建新的 WorkThread 之前，ThreadPool 没法执行新的任务。

LongRunning 的 Task 生命周期与 ThreadPool 设计目的不符合，因此需独立开来。

自定义的TaskScheduler里

除了 ThreadPoolTaskScheduler 外，我们还可以定义自己的 TaskScheduler。

首先需要继承 TaskScheduler 这个抽象类，有三个抽象方法需要我们实现。

C# 复制代码 
public abstract class TaskScheduler
{
    // 入口，待调度执行的 Task 会通过该方法传入
    protected internal abstract void QueueTask(Task task);

    // 这个是在执行 Task 回调的时候才会被执行到的方法，放到后面再讲
    protected abstract bool TryExecuteTaskInline(Task task, bool taskWasPreviouslyQueued);

    // 获取所有调度到该 TaskScheduler 的 Task
    protected abstract IEnumerable<Task>? GetScheduledTasks();
}

在我们自定义的 TaskScheduler 里，在 QueueTask 被执行时会拿到 Task，但是 Task 要怎么去触发里面的 action 呢。

Task 针对 ThreadPool 的调用场景暴露了一个 ExecuteFromThreadPool 的 internal 方法，同时也提供了一个 ExecuteEntry 方法供其他场景调用，但是这个方法也是 internal 的。只能通过 TaskScheduler 的 protect 方法进行间接调用。

C# 复制代码 
public abstract class TaskScheduler
{
    protected bool TryExecuteTask(Task task)
    {
        if (task.ExecutingTaskScheduler != this)
        {
            throw new InvalidOperationException(SR.TaskScheduler_ExecuteTask_WrongTaskScheduler);
        }

        return task.ExecuteEntry();
    }
}


下面是一个自定义的 TaskScheduler，在一个固定的线程上顺序执行 Task。
```C#
class CustomTaskScheduler : TaskScheduler
{
    private readonly BlockingCollection<Task> _queue = new();

    public CustomTaskScheduler()
    {
        new Thread(() =>
        {
            while (true)
            {
                var task = _queue.Take();
                Console.WriteLine($"task {task.Id} is going to be executed");
                TryExecuteTask(task);
                Console.WriteLine($"task {task.Id} has been executed");
            }
        })
        {
            IsBackground = true
        }.Start();
    }

    protected override IEnumerable<Task> GetScheduledTasks()
    {
        return _queue.ToArray();
    }

    protected override void QueueTask(Task task)
    {
        _queue.Add(task);
    }

    protected override bool TryExecuteTaskInline(Task task, bool taskWasPreviouslyQueued)
    {
        return false;
    }
}

在 TaskFactory 的构造函数中可以传入我们自定义的 TaskScheduler

C# 复制代码 
var taskFactory = new TaskFactory(new CustomTaskScheduler());
taskFactory.StartNew(() =>
    Console.WriteLine($"task {Task.CurrentId}" +
                      $" threadId: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"));
taskFactory.StartNew(() =>
    Console.WriteLine($"task {Task.CurrentId}" +
                      $" threadId: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"));
Console.ReadLine();

输出结果如下：

LOG 复制代码 
task 1 is going to be executed
task 1 threadId: 10
task 1 has been executed
task 2 is going to be executed
task 2 threadId: 10
task 2 has been executed

所有的 Task 都会在一个线程里被调度执行。

Task 可以封装任何类型的别的任务

上面两种情况，Task 都存在明确的执行实体，但有时候，可能是没有的。看下面这样的例子。

C# 复制代码 
var task = FooAsync();
var action = typeof(Task).GetField("m_action", BindingFlags.NonPublic | BindingFlags.Instance).GetValue(task);
Console.WriteLine($"Task action is null: {action == null}");
task.ContinueWith(t => Console.WriteLine(t.Result));
// 回调可以注册多个
task.ContinueWith(t => Console.WriteLine(t.Result));


Task<string> FooAsync()
{
    var tsc = new TaskCompletionSource<string>();
    new Thread(() =>
    {
        Thread.Sleep(1000);
        tsc.SetResult("Hello World");
    })
    {
        IsBackground = true
    }.Start();
    return tsc.Task;
}

输出：

LOG 复制代码 
Task action is null: True
Hello World
Hello World

从 FooAsync 外部和内部两个角度来看这个问题

  • FooAsync 外：拿到了一个 Task 并注册了回调
  • FooAsync 内：相当于间接的持有了这个回调，并通过 tsc.SetResult 间接地调用了这个回调。

下面是关键代码的摘录

C# 复制代码 
class Task
{
    // 保存一个或一组回调
    private volatile object? m_continuationObject;

    internal void FinishContinuations()
    {
        // 处理回调的执行
    }
}

class Task<T> : Task
{
    internal bool TrySetResult(TResult result)
    {
        // ...
        this.m_result = result;
        // 复用父类的逻辑
        FinishContinuations();
        // ...
    }
}

public class TaskCompletionSource<TResult>
{
    public TaskCompletionSource() => _task = new Task<TResult>();

    public Task<TResult> Task => _task;

    public void SetResult(TResult result)
    {
        TrySetResult(result);
    }

    public bool TrySetResult(TResult result)
    {
        _task.TrySetResult(result);
        // ...
    }
}

有时候 Task.TrySetResult() 的触发源可能是一个异步IO完成事件导致的,也就是我们常说的异步IO，硬件有自己的处理芯片，在异步IO完成通知CPU（硬件中断 hardware interrupt）之前，CPU并不需要参与，这也是异步IO的价值所在。

小结

Task 是个已经完成或者将在未来某个时间点完成的任务，可以向其注册一个回调等待任务完成时被执行。

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