SynchronizationContext(同步上下文)综述

寵の児 提交于 2020-02-01 11:05:35

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1. 概述

无论是什么平台(ASP.NET 、WinForm 、WPF 等),所有 .NET 程序都包含 同步上下文 概念,并且所有多线程编程人员都可以通过理解和应用它获益。

2. 同步上下文 的必要性

2.1. ISynchronizeInvoke 的诞生

  • 原始多线程

    • 多线程程序在 .NET Framework 出现之前就存在了。
    • 这些程序通常需要一个线程将一个工作单元传递给另一个线程
    • Windows 程序围绕消息循环进行,因此很多编程人员使用这一内置队列传递工作单元
    • 每个要以这种方式使用 Windows 消息队列的多线程程序都必须自定义 Windows 消息以及处理约定
  • ISynchronizeInvoke 的诞生

    • .NET Framework 首次发布时,这一通用模式是标准化模式。
    • 那时 .NET 唯一支持的 GUI 应用程序类型是 WinFrom。
    • 不过,框架设计人员期待其他模型,他们开发出了一种通用的解决方案,ISynchronizeInvoke 诞生了。
  • ISynchronizeInvoke 的原理

    • 一个“源”线程可以将一个委托列入“目标”线程队列。
    • ISynchronizeInvoke 还提供了一个属性来确定当前代码是否已在目标线程上运行。
    • WinForm 提供了单例的 ISynchronizeInvoke 实现,并且开发了一种模式来设计异步组件

2.2. SynchronizationContext 的诞生

  • ASP.NET 异步页面
    • .NET Framework 2.0 版包含很多重大改动。 其中一项重要改进是在 ASP.NET 体系结构中引入了异步页面
      • 在 .NET Framework 2.0 之前的版本中,每个 ASP.NET 请求都需要一个线程,线程会直到该请求完成
      • 这会造成线程利用率低下,因为创建网页通常依赖于数据库查询和 Web 服务调用,并且处理请求的线程必须等待,直到所有这些操作结束。
      • 后来使用异步页面,处理请求的线程可以开始每个操作,然后返回到 ASP.NET 线程池;当操作结束时,ASP.NET 线程池的另一个线程可以完成该请求
    • ISynchronizeInvoke 不太适合 ASP.NET 异步页面体系结构。
      • 使用 ISynchronizeInvoke 模式开发的异步组件在 ASP.NET 页面内无法正常工作,因为 ASP.NET 异步页面不与单个线程关联。
      • 需要设计出,无须将工作排入原来的线程队列,异步页面只需对未完成的操作进行计数 以确定页面请求何时可以完成。
  • 经过精心设计, SynchronizationContext 取代了 ISynchronizeInvoke

3. 同步上下文 的概念

ISynchronizeInvoke 满足了两点需求:

  1. 确定是否必须同步
  2. 使工作单元从一个线程列队等候另一个线程。

设计 SynchronizationContext 是为了替代 ISynchronizeInvoke ,但完成设计后,它就不仅仅是一个替代品了。

  • 一方面SynchronizationContext 提供了一种方式,可以使工作单元列队并列入上下文
    • 请注意,工作单元是列入上下文,而不是某个特定线程。
    • 这一区别非常重要,因为很多 SynchronizationContext 实现都不是基于单个特定线程的。
    • SynchronizationContext 不包含用来确定是否必须同步的机制,因为这是不可能的。
      • WPF 中的Dispatcher.Invoke是将委托列入上下文,不等委托执行直接返回
      • WinForm 中的txtUName.Invoke会启动一个process,等到委托执行完毕后返回
  • 另一方面,每个线程都有当前同步上下文
    • 线程上下文不一定唯一
    • 上下文实例可以与多个其他线程共享
    • 线程可以更改其当前上下文,但这样的情况非常少见。
  • 第三个方面,保持了未完成操作的计数。
    • 这样,就可以用于 ASP.NET 异步页面和需要此类计数的任何其他主机。
    • 大多数情况下,捕获到当前 SynchronizationContext 时,计数递增
      • 捕获到的 SynchronizationContext 用于将完成通知列队到上下文中时,计数递减 void OperationCompleted()
  • 其他一些方面,这些对大多数编程人员来说并不那么重要
// SynchronizationContext API的重要方面
class SynchronizationContext
{

  // 将工作分配到上下文中
  void Post(..); // (asynchronously 异步)

  void Send(..); // (synchronously 同步)

  // 跟踪异步操作的数量。
  void OperationStarted();

  void OperationCompleted();

  // 每个线程都有一个Current Context。
  // 如果“Current”为null,则按照惯例,
  // 最开始的当前上下文为 new SynchronizationContext()。
  static SynchronizationContext Current { get; }

  //设置当前同步上下文
  static void SetSynchronizationContext(SynchronizationContext);
}

4. 同步上下文 的实现

不同的框架和主机可以自行定义上下文

通过了解这些不同的实现及其限制,可以清楚了解 SynchronizationContext 概念可以不可以实现的功能

4.1. WinForm 同步上下文

位于:System.Windows.Forms.dll:System.Windows.Forms

WinForm

  • WinForm应用程序会创建并安装一个 WindowsFormsSynchronizationContext
    • 作为创建 UI Control 的每个线程的当前上下文
    • 一个 WinForm 应用程序对应一个同步上下文
  • 这一 SynchronizationContext 使用 UI ControlInvoke 等方法(ISynchronizeInvoke派生出来的),该方法将委托传递给基础 Win32 消息循环
  • WindowsFormsSynchronizationContext 的上下文是一个单例的 UI 线程
  • WindowsFormsSynchronizationContext 列队的所有委托一次一个地执行
    • 这个已排序的委托队列,被一个特定 UI 线程执行完

4.2. Dispatcher 同步上下文

位于:WindowsBase.dll:System.Windows.Threading

WPF

  • 委托按“Normal”优先级在 UI 线程的 Dispatcher 中列队
  • 当一个线程通过调用 Dispatcher.Run 开启 循环调度器 时,将这个初始化完成的 同步上下文 安装到当前上下文
  • DispatcherSynchronizationContext 的上下文是一个单独的 UI 线程。
  • 排队到 DispatcherSynchronizationContext 的所有委托均由特定的UI线程一次一个按其排队的顺序执行
  • 当前实现为每个顶层窗口创建一个 DispatcherSynchronizationContext,即使它们都使用相同的基础调度程序也是如此。

4.3. Default 同步上下文

调度线程池线程的同步上下文。

位于:mscorlib.dll:System.Threading

Default SynchronizationContext 是默认构造的 SynchronizationContext 对象。

  • 根据惯例,如果一个线程的当前 SynchronizationContext 为 null,那么它隐式具有一个Default SynchronizationContext
  • Default SynchronizationContext 将其异步委托列队到 ThreadPool ,但在调用线程上直接执行其同步委托
  • 因此,Default SynchronizationContext涵盖所有 ThreadPool 线程以及任何调用 Send 的线程。
  • 这个上下文“借助”调用 Send线程们,将这些线程放入这个上下文,直至委托执行完成
    • 从这种意义上讲,默认上下文可以包含进程中的所有线程
  • Default SynchronizationContext 应用于 线程池 线程,除非代码由 ASP.NET 承载。
  • Default SynchronizationContext 还隐式应用于显式子线程(Thread 类的实例),除非子线程设置自己的 SynchronizationContext

因此,UI 应用程序通常有两个同步上下文:

  • 包含 UI 线程的 UI SynchronizationContext
  • 包含 ThreadPool 线程的Default SynchronizationContext

4.4. 上下文捕获和执行

BackgroundWorker运行流程

  • 首先BackgroundWorker 捕获使用调用 RunWorkerAsync 的线程的 同步上下文
  • 然后,在Default SynchronizationContext中执行DoWork
  • 最后,在之前捕获的上下文中执行其 RunWorkerCompleted 事件

UI同步上下文 中只有一个 BackgroundWorker ,因此 RunWorkerCompletedRunWorkerAsync 捕获UI同步上下文中执行(如下图)。

UI同步上下文中的嵌套 BackgroundWorker

  • 嵌套: BackgroundWorker 从其 DoWork 处理程序启动另一个 BackgroundWorker
    • 嵌套的 BackgroundWorker 不会捕获 UI同步上下文
  • DoWork线程池 线程使用 默认同步上下文 执行。
    • 在这种情况下,嵌套的 RunWorkerAsync 将捕获默认 SynchronizationContext
    • 因此它将由一个 线程池 线程而不是 UI线程 执行其 RunWorkerCompleted
    • 这样会导致异步执行完后,后面的代码就不在UI同步上下文中执行了(如下图)。

默认情况下,控制台应用程序Windows服务 中的所有线程都只有 Default SynchronizationContext,这会导致一些基于事件异步组件失败(也就是没有UI同步上下文的特性)

  • 要解决这个问题,可以创建一个显式子线程,然后将 UI同步上下文 安装在该线程上,这样就可以为这些组件提供上下文。
  • Nito.Async 库的 ActionThread 类可用作通用同步上下文实现。

4.5. AspNetSynchronizationContext

位于:System.Web.dll:System.Web [internal class]

ASP.NET

  • SynchronizationContext线程池线程执行页面代码安装完成。
  • 当一个委托列入到捕获AspNetSynchronizationContext 中时,它设置原始页面的 identity 和 culture 到此线程,然后直接执行委托
    • 即使委托是通过调用 Post “异步”列入的,也会直接调用委托。

从概念上讲, AspNetSynchronizationContext 的上下文非常复杂。

  • 在异步页面的生命周期中,该同步上下文从来自 ASP.NET 线程池的一个线程开始。
    • 异步请求开始后,该上下文不包含任何线程。
    • 异步请求结束时,线程池线程进入该上下文并执行 处理完成的相关工作
  • 这可能是启动请求的线程,但更可能是操作完成时处于空闲状态的任何线程
  • 如果同一应用程序的多项操作同时完成, AspNetSynchronizationContext 确保一次只执行其中一项。它们可以在任意线程上执行,但该线程将具有原始页面的 identity 和 culture。

一个常见的示例:

在异步网页中使用 WebClient.DownloadDataAsync 将捕获当前 SynchronizationContext ,之后在该上下文中执行其 DownloadDataCompleted 事件。

  • 当页面开始执行时,ASP.NET 会分配一个线程执行该页面中的代码。
  • 该页面可能调用 DownloadDataAsync ,然后返回;
    • ASP.NET 对未完成的异步操作进行计数,以便了解页面处理是否已完成。
  • WebClient 对象下载所请求的数据后,它将在线程池线程上收到通知
    • 该线程将在捕获的上下文中引发 DownloadDataCompleted
  • 该上下文将保持在相同的线程中,但会确保事件处理的运行使用正确的 identity 和 culture 运行

5. 同步上下实现类 的注意事项

  • SynchronizationContext 提供了一种途径,可以在很多不同框架中编写组件
    • BackgroundWorkerWebClient 就是两个在 WinFormWPFConsoleASP.NET Application中同样应用自如的组件。
  • 在设计这类可重用组件时,必须注意几点:

    • 同步上下文的实现们不是平等可比的。
      • 这意味着没有类似 ISynchronizeInvoke.InvokeRequired 的等效项
        • 此属性确定在对如Concrol对象进行方法调用时,调用方是否必须通过 Invoke 进行调用(传入委托)。
        • 这样的(Control)对象被绑定到特定线程,并且不是线程安全的。
        • 如果要从其他线程调用对象的方法,则必须借助 Invoke 方法将对相应线程调用的委托列队
      • 不过,这不是多大的缺点;代码更为清晰,并且更容易验证它是否始终在已知上下文中执行,而不是试图处理多个上下文。
    • 不是所有 同步上下文的实现 都可以保证委托执行顺序或委托同步顺序。
      • UI同步上下文 满足上述条件
      • ASP.NET同步上下文 只提供同步
      • Default同步上下文 不保证执行顺序或同步顺序
    • 同步上下文实例线程之间没有 1:1 的对应关系
      • WindowsFormsSynchronizationContext 确实 1:1 映射到一个线程(只要不调用 SynchronizationContext.CreateCopy
        • 任何其他实现都不是这样
      • 一般而言,最好不要假设任何上下文实例将在任何指定线程上运行
    • SynchronizationContext.Post 方法不一定是异步的
      • 大多数实现异步实现此方法,但 AspNetSynchronizationContext 是一个明显的例外
      • 这可能会导致无法预料的重入问题

同步上下文实现类的摘要

使用特定线程 执行委托 独占 (一次执行一个委托) 有序 (委托按队列顺序执行) Send 可以直接调用委托 Post 可以直接调用委托
Winform 如果从UI线程调用 从不
WPF/Silverlight 如果从UI线程调用 从不
Default 不能 不能 不能 Always 从不
ASP.NET 不能 不能 Always Always

6. AsyncOperationManager 和 AsyncOperation

  • AsyncOperationManagerAsyncOperation 类是 SynchronizationContext 抽象类的轻型包装
    • AsyncOperation的异步是使用抽象的同步上下文进行封装的
  • AsyncOperationManager 在第一次创建 AsyncOperation捕获当前同步上下文 ,如果当前同步上下文为null,则使用 Default 同步上下文
  • AsyncOperation 将委托异步发布到捕获的 同步上下文
  • 大多数基于事件的异步组件都在其实现中使用 AsyncOperationManagerAsyncOperation
    • 这些对于具有明确完成点的异步操作非常有效
      • 即异步操作从一个点开始,以另一个点的事件结束
    • 其他异步通知可能没有明确的完成点;它们可能是一种订阅类型,在一个点开始,然后无限期持续
      • 对于这些类型的操作,当触发了被订阅的事件,在事件处理中直接捕获使用同步上下文

新组件不应使用基于事件的异步模式

  • 使用基于Task的异步模式
    • 组件返回 Task 和 Task 对象,而不是通过 同步上下文 引发事件
    • 基于 Task 的 API 是 .NET 中异步编程的发展方向

7. 同步上下文 的Library支持示例

  • BackgroundWorkerWebClient 这样的简单组件是隐式自带的
    • 隐藏了对同步上下文的捕获和使用。
  • 很多 Libraries 以更可见的方式使用 同步上下文
    • 通过使用 SynchronizationContext 公开 API,Libraries 不仅获得了框架独立性,而且为高级最终用户提供了一个可扩展点。
  • ExecutionContext
    • 是与执行的逻辑线程相关的所有信息提供单个容器。 这包括安全上下文调用上下文同步上下文
    • 任何捕获线程的 ExecutionContext 的系统都会捕获当前 同步上下文
    • 当恢复 ExecutionContext 时,通常也会恢复 同步上下文

7.1. WCF

WCF 有两个用于配置服务器和客户端行为的特性:

  • ServiceBehaviorAttributeCallbackBehaviorAttribute
    • 这两个特性都有一个 Boolean 属性:UseSynchronizationContext
    • 此特性的默认值为 true,这表示在创建通信通道时捕获当前 同步上下文 ,这一捕获的 同步上下文 用于使约定方法列队。
  • 服务器使用 Default 同步上下文
  • 客户端回调使用相应的 UI 同步上下文
  • 在需要重入时,这会导致问题,如客户端调用的服务器方法回调客户端方法。在这类情况下,将 UseSynchronizationContext 设置为 false 可以禁止 WCF 自动使用 同步上下文
    • 因为如果这时如果客户端使用的是UI同步上下文,可能造成不可预期的问题

7.2. Workflow Foundation (WF)

  • WorkflowInstance 类及其派生的 WorkflowApplication 类的SynchronizationContext 属性

  • 如果承载进程创建自己拥有的 WorkflowInstance ,同步上下文也许直接设置了

  • WorkflowInvoker.InvokeAsync 也使用 同步上下文
    • 它捕获当前 同步上下文 并将其传递给其 internalWorkflowApplication
      • 该 同步上下文 用于 Post 工作流完成事件以及工作流活动

7.3. Task Parallel Library (TPL)

TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext

TPL 使用 Task 对象作为其工作单元并通过 TaskScheduler 执行。

  • 默认 TaskScheduler 的作用类似于 Defalut 同步上下文 ,将 TaskThreadPool 中列队。
  • TPL 队列还提供了另一个 TaskScheduler ,将 Task 在 一个同步上下文 中列队
    • UI 进度条更新 可以在一个嵌套 Task 中完成,如下所示。

UI 进度条更新

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
  // 捕获当前 SynchronizationContext 的 TaskScheduler.
  TaskScheduler taskScheduler = TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext();
  // Start a new task (this uses the default TaskScheduler, 
  // so it will run on a ThreadPool thread).
  Task.Factory.StartNew(() =>
  {
    // We are running on a ThreadPool thread here.
    // Do some work.
    // Report progress to the UI.
    Task reportProgressTask = Task.Factory.StartNew(() =>
    {
      // We are running on the UI thread here.
      // Update the UI with our progress.
    },CancellationToken.None,
      TaskCreationOptions.None,
      taskScheduler);

    reportProgressTask.Wait();
    // Do more work.
  });
}

CancellationToken.Register

  • CancellationToken 类可用于任意类型的取消操作
  • 为了与现有取消操作形式集成,该类允许注册委托以在请求取消时调用
    • 当取消委托被注册后,同步上下文就可以传递了
      • 当发起取消请求时, CancellationToken 将该委托列入 同步上下文 队列,然后才会进行执行

7.4. Reactive Extensions (Rx)

ObserveOnSubscribeOnSynchronizationContextScheduler

Rx 是一个库,它将事件视为数据流

  • ObserveOn(context) 运算符通过一个 同步上下文 将事件列队
  • SubscribeOn(context) 运算符通过一个 同步上下文 将对这些事件的订阅 列队
  • ObserveOn(context) 通常用于使用传入事件更新 UI,SubscribeOn 用于从 UI 对象使用事件

Rx 还有它自己的工作单元列队方法: IScheduler 接口。

  • Rx 包含 SynchronizationContextScheduler
    • 是一个将 Task 列入指定 同步上下文 的 IScheduler 实现。
    • 构造方法: SynchronizationContextScheduler(SynchronizationContext context)

7.5. 异步编程 Async

awaitConfigureAwaitSwitchToProgress<T>

  • 默认情况下, 当前同步上下文 在一个 await 关键字处被捕获
  • 同步上下文 用于在运行到 await关键字后时恢复
    • 也就是 await 关键字后面的执行代码会被列入到 该同步上下文 中执行
      • 仅当它不为 null 时,才捕获当前 同步上下文
      • 如果为 null ,则捕获当前 TaskScheduler
private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
  // 当前 SynchronizationContext 被 await 在暗中捕获
  var data = await webClient.DownloadStringTaskAsync(uri);

  // 此时,已捕获的SynchronizationContext用于恢复执行,
  // 因此我们可以自由更新UI对象。
}
  • ConfigureAwait 提供了一种途径避免 SynchronizationContext 捕获;
    • continueOnCapturedContext 参数传递 false 会阻止 await后的代码,在 await 执行前的 同步上下文 上执行
  • 同步上下文实例还有一种扩展方法 SwitchTo
    • 使用该方法,任何 async 的方法 可以通过调用 SwitchTo 改变到一个不同的同步上下文上,并 awaiting 结果

报告异步操作进展的通用模式:

  • IProgress<T> 接口及其实现 Progress<T>
    • 该类在构造时捕获 当前同步上下文
    • 并在中引发其 ProgressChanged 事件
    • 所以实例化时,需要在 UI同步上下文 上执行

返回 voidasync 方法

  • 在异步操作开始时递增计数
  • 在异步操作结束后递减计数

这一行为使返回 voidasync 方法 类似于顶级异步操作。

8. 限制和功能

  • 了解 同步上下文 对任何编程人员来说都是有益的
  • 现有跨框架组件使用它同步其事件
  • Libraries 可以将它公开以获得更高的灵活性
  • 技术精湛的编程人员了解 同步上下文 限制和功能后,可以更好地编写和利用这些类
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