Asynchrone Programmierung mit async/await in .NET (II)


.NET4.5 inkludiert neuen Language-und Library Support für asynchrone Programmierung mit den asyc-und await Keywords. Sie ermöglichen gemeinsam mit dem Task-based Asynchronous Pattern (TAP) die wesentlich erleichterte Erstellung von sowohl neuem Client/Server asynchronem Code, als auch das Refactoring existierenden synchronen Codes. async/await eignet sich für computational, Netzwerk-und I/O Loads mit mittlerer-hoher Latency. Wie im ersten Teil der Serie gezeigt existieren in .NET bereits eine Reihe an Asynchron Ansätzen. async/await depreciated APM, folgt EAP - welches für manche multi-threaded Probleme noch weiter Lösung ist und baut auf die Task Parallel Library (TPL) auf. Im Zuge der erweiterten Asynchron Funktionalität in .NET sind in .NET 4.5 verschiedenste async Methoden und Handler in z.B. der BCL, WPF, ASP.NET, ADO.NET etc. für sowohl C# als auch VB hinzugekommen.

C# async/await besteht aus (1) dem C# Modifier Keyword async und der Operator Keyword await, (2) Klassen der TPL wie System.Threading.Tasks.Task(Of TResult) und (3) umfangreichem Compiler Support.

Der async Modifier – siehe unten - wird der Methode vorangestellt, was sie als asynchron deklariert. Neben normalen Methoden kann async auch mit Lambda Ausdrücken und anonymen Methoden verwendet werden.

public async void buttonDownloadAsync_Click
    (object sender, RoutedEventArgs e)

...

await client.DownloadFileTaskAsync
    (new Uri(URL), destinationFile, cts.Token);

Der await Operator steht vor dem asynchronen Aufruf und schließt einen async/await Block ab; oben wird ein WebClient.DownloadFileTaskAsync asynchron aufgerufen. Die Methode DownloadFileTaskAsync ist neu mit 4.5 und NICHT die bereits aus dem EAP bekannte WebClient.DownloadFileAsync.

Semantik

Die Semantik von await ist anders als der Name intuitiv erahnen lässt nicht das Blockieren des aktuellen Threads und Warten auf ein Signal um zu synchronisieren (wie in System.Threading.WaitHandle). wait hingegen bedeutet: “Under the covers, the await functionality installs a callback on the task via a continuation. This callback will resume the asynchronous method at the point of suspension”  [Stephen Toub, Task-based Asynchronous Pattern]. In anderen Worten und verdeutlicht durch das Beispiel in Teil III der Serie: der aufrufende Thread kehrt sofort nach dem Async Dispatch zurück und kann durch die WPF Message Loop Pump neue Work Messages annehmen. Der async/await Block selbst bleibt bei await bis zum Callback stehen. Wenn im Standard-Synchronization Context der aufrufende Thread der UI Thread ist kann dieser während auf den Callback gewartet wird andere Arbeit verrichten. Der User sieht es als “flüssiges” UI Verhalten in dem er in der selben oder anderen App andere Operationen starten kann.

“Unter der Motorhaube” passiert allerdings viel mehr: der Compiler erzeugt einen Callback für den async Task. Aus dem gesamten Programm mit seinen async/await Blöcken generiert er transpartent eine State-Machine für die Callbacks und Task Events. Mit der erzeugten State Machine wird der Programmfluss auf nur einen Thread umgeordnet. Der Compiler erzeugt damit das Äquivalent zu kooperativem Multitasking zur compile-Zeit. async/await ist damit weder parallel, noch multi-threaded. Stattdessen wird der Thread des aufrufenden Synchronization Contexts – typisch der UI Thread – besser genutzt. Der Kern der async/await Technologie ist damit im Compiler. Da das Verhalten von async/await auch mit existierenden Konstrukten erreicht werden kann, können sie auch als “Syntactic Sugar” bezeichnet werden.

Vorteile

Die Vorteile dieses Ansatzes sind enorm: Der eigene Code ähnelt nach wie vor der synchronen Form, läuft jedoch asynchron. Es muss nicht multi-threaded programmiert werden mit seinen bekannten Challenges. Man muss weiters keine Callbacks und Handler manuell schreiben, der Compiler generiert sie. Verglichen mit APM und Thread Pool Ansätzen ermöglicht async/await hohe Kompaktheit.

Weiters integriert async/wait mit der TPL; Task und Task<T>sind kombinierbar (engl.: composable). await retourniert entweder void, den TPL Task, oder Task<T>; Methoden der TPL wie die Kombinatoren WhenAll, WhenAny sind für async/await verwendbar. async/await nutzt den CancelationToken Task Cancel Mechanismus der TPL (siehe Beispiel). Für Progress Reporting sind in der CTP das Interface IProgress<T> und die Klasse, Progress<T> hinzugekommen. Eine weitere Erweiterung der CTP gegenüber der .NET 4.0 TPL ist das Tasks await-ed werden können. Die eigenen Types müssen dafür nur die Methoden IsCompleted, Incomplted und GetResults() haben.

Nachteile

Nachteile von async/await (teils von jedem anderen Async Ansatz) sind:

  • Overhead: es eignet sich nicht für kleinst-Operationen und sollte auch nicht verwendet werden, wenn die Return-Zeit so gering ist dass eine standard synchroner Fluss ausreicht.
  • Sinnvolle Granularitäten sollten gefunden werden.
  • await kann nicht in Main(), catch und finally verwendet werden.
  • async/await ist nicht multi-threaded aber sehr wohl concurrent (dt.: nebenläufig) wenn mehrere asynchrone Operationen gleichzeitig ausständig sind.
  • Der Task-based Asynchronous Pattern (TAP) erlaubt awaits in async Methoden welche Task(T) zurück liefern – Nesting.
  • Behavioral Equivalance: ist das Verhalten des asynchronen Programmes dasselbe wie das des Synchronen? Das Verhalten von Business Logik bei einfacher Änderung der Aufrufe in asynchron async/await sollte sich generell an sich nicht ändern (Disclaimer: muss aber trotzdem auf Äuquivalenz getestet werden!!). Ausnahmen sind z.B. falls das Programm exklusiv State im Synchronization Context hält; wenn ein Thread der ursprünglich exklusiv verwendet wurde nun interleaved mehrfach verwendet wird müssen Auswirkungen bedacht werden. Ein Beispiel ist der UI Thread: falls ein Programm Annahmen über den globalen State des UI hat müssen sie im Zuge eines async/await Refactorings asserted werden.

 

Zurück zu Teil I (synchron/asynchron, async in .NET),

weiter zu Teil III (Beispiel Anwendung).

Downloads

Async Support ist in aktuell 3 verschiedenen Downloads enthalten:
(a) Async CTP: AsyncCtpLibrary.dll als Reference hinzufügen,
(b) VS11 mit .NET 4.5 und
(c) .NET 4.5 CTPv3: ein side-by-side Update von .NET <= 3.5 und in-place Update für 4.0. Achtung: da bei dem in-place Update zu z.B. dem Task Typ keine neuen statischen Members zu System.Threading.Tasks.Task hinzugefügt werden können haben manche Types zwischenzeitlich differierende Namen wie TaskEx. Zum Download:

Download VS11 mit .NET 4.5 CTP
Download .NET 4.5 CTP
Download Async CTP Version 3(Beispiel in Teil III verwendet Async CTPv3)
Task-based Asynchronous Pattern Dokument (Stephen Toub)


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