聊透多线程编程-线程池-6.C# APM（异步编程模型）

APM（Asynchronous Programming Model，异步编程模型）是.NET Framework早期版本中引入的一种异步编程模式。它通过一对模式化的BeginXXX和EndXXX方法来实现异步操作的执行和结果获取。尽管随着技术进步，特别是async/await结合Task类的普及，APM逐渐被更为现代化的异步编程方式所取代，但理解APM对于掌握.NET的异步编程历史和技术基础仍然非常重要。

核心概念

BeginXXX：启动一个异步操作，并接受一个回调函数作为参数，当异步操作完成时该回调会被调用。此外，还可以传递一个状态对象用于识别这个异步操作。
EndXXX：结束一个异步操作，通常用来获取操作的结果或者处理任何可能发生的异常。如果异步操作尚未完成而提前调用了EndXXX方法，则可能会阻塞当前线程直到操作完成。
IAsyncResult：这是BeginXXX方法返回的对象，包含了异步操作的状态信息。可以通过检查IsCompleted属性判断异步操作是否已经完成，或使用AsyncWaitHandle进行等待。

示例代码

以下是一个简单的示例，演示如何使用APM模式读取文件：

cs 复制代码

using System;
using System.IO;
using System.Threading;

class Program
{
    static void Main()
    {
        string filePath = "example.txt";
        using (FileStream fs = new FileStream(filePath, FileMode.Open))
        {
            byte[] buffer = new byte[fs.Length];
            // 开始异步读取
            IAsyncResult result = fs.BeginRead(buffer, 0, buffer.Length, ReadCallback, fs);

            // 主线程可以在这里做其他事情
            Console.WriteLine("主线程正在执行其他工作...");

            // 等待异步操作完成（可选）
            result.AsyncWaitHandle.WaitOne();
        }
    }

    static void ReadCallback(IAsyncResult ar)
    {
        FileStream fs = (FileStream)ar.AsyncState;
        int bytesRead = fs.EndRead(ar);
        Console.WriteLine($"从文件中读取了 {bytesRead} 字节。");
    }
}

注意事项

在使用APM模式时，需要注意以下几个关键点：

1. 资源管理

在异步操作完成后，需要确保正确释放资源，例如关闭文件流、网络连接等。未正确释放资源可能导致内存泄漏或其他问题。推荐使用try-finally块或using语句来管理资源。

2. 异常处理

由于异步操作是在另一个线程中执行的，因此需要在回调函数中进行异常处理。所有未捕获的异常都将在调用EndXXX方法时抛出，因此务必在调用EndXXX时准备好捕获并处理异常，以避免程序崩溃。

3. 线程安全与同步上下文

回调函数通常不会在主线程上执行，而是在线程池中的某个线程上执行。如果需要更新UI或其他仅能在特定线程上访问的资源，请使用适当的机制（如Windows Forms中的Control.Invoke或WPF中的Dispatcher.Invoke）来切换回正确的线程上下文。

4. 避免阻塞等待

不要在主线程上调用EndXXX方法直到异步操作完成，否则会导致该线程被阻塞。如果确实需要等待异步操作完成，可以考虑使用IAsyncResult.AsyncWaitHandle.WaitOne()，但要谨慎使用。

5. 回调地狱

当存在多个嵌套的异步操作时，可能会出现回调地狱的问题，导致代码的可读性和维护性变差。为了避免这种情况，可以考虑使用更现代的异步编程方式，如TAP（Task-based Asynchronous Pattern）。

APM的局限性

复杂性：APM需要开发者手动处理很多细节，例如如何正确地启动和结束异步操作、如何传递状态以及如何处理异常等，使得代码更加复杂和难以维护。
灵活性不足：与后来出现的基于任务的异步模式（TAP）相比，APM缺乏一些灵活性，特别是在组合多个异步操作时显得尤为明显。
不支持取消：虽然可以在异步操作内部实现取消逻辑，但APM本身并不直接支持取消异步操作。

APM与线程池的关系

默认行为：在许多情况下，特别是涉及到I/O操作（如文件读写、网络请求等），APM的实现会利用线程池中的线程来处理异步回调。这是因为I/O操作通常涉及等待外部资源响应，在此期间，使用线程池可以更有效地管理系统资源，避免为每个异步操作创建新的线程所带来的开销。
I/O完成端口（I/O Completion Ports, IOCP）：对于某些类型的I/O密集型操作，.NET使用Windows的I/O完成端口技术。在这种机制下，当一个异步I/O操作完成时，系统会通知应用程序，然后从线程池中调度一个线程来处理该事件。这种方式允许高效率地处理大量并发I/O操作，而不需要为每个操作都分配一个专用线程。
非I/O场景下的线程池使用：虽然APM主要用于I/O操作，但在一些计算密集型的任务中，也可能使用线程池来管理后台任务。不过，这取决于具体的API实现和应用场景。例如，如果你通过ThreadPool.QueueUserWorkItem启动一个后台任务，这个任务也会在线程池的线程上运行。
手动控制：尽管APM默认情况下依赖于线程池，但开发者也可以根据需要自定义异步操作的行为。例如，你可以编写自己的异步操作实现，并决定是否使用线程池或独立线程来执行任务。然而，这样做增加了复杂性，并且通常没有必要，除非有特殊的性能考虑或其他限制条件。

APM 在现代.NET中的位置

尽管APM已经被更先进的异步编程技术如async/await所取代，但在某些特定场景下，比如需要与旧版API兼容或者在某些性能敏感的应用场景下，APM仍可能被使用。然而，对于大多数新开发的项目来说，推荐使用TAP提供的async和await关键字，这不仅简化了代码结构，还提高了可读性和维护性。

在.NET Core及更高版本的新项目中，虽然依然支持APM以保持对现有代码的最大兼容性，但强烈建议采用现代的异步编程实践，以便充分利用最新的框架特性和优化。

结论

理解APM对于深入学习.NET异步编程至关重要，尤其是在处理与旧版API的兼容性问题时。然而，随着技术的进步，转向基于任务的异步模式（TAP）将带来更好的开发体验和更高的效率。