Jak tworzyć własne kombinatory w programowaniu asynchronicznym?

W programowaniu asynchronicznym, a szczególnie w kontekście biblioteki Task Parallel Library (TAP), kombinatory to mechanizmy, które umożliwiają efektywne łączenie i manipulowanie różnymi zadaniami. Zadania te nie muszą być z natury asynchroniczne, ale łączą inne asynchroniczne operacje w sposób, który upraszcza kod i pozwala na łatwiejsze zarządzanie równoległością. Przykładem takich kombinatorów są metody WhenAll i WhenAny, które służą do obsługi wielu zadań równocześnie. Możemy jednak stworzyć własne kombinatory, które będą dostosowane do specyficznych potrzeb, takich jak dodanie limitu czasu do zadania, co pokażemy na przykładzie poniżej.

Załóżmy, że chcielibyśmy dodać limit czasu do każdego zadania. Choć moglibyśmy to zrobić samodzielnie, warto wykorzystać zarówno metodę Task.Delay, jak i Task.WhenAny, aby stworzyć elegancki sposób na obsługę tego problemu. Takie podejście jest typowe, gdy piszemy kombinatory przy użyciu async. Na przykład możemy utworzyć zadanie, które zakończy się po określonym czasie, a następnie za pomocą WhenAny wybrać to, które zakończy się wcześniej - czy to zadanie, czy limit czasowy. Oto przykładowa implementacja:

csharp
Copy code
private static async Task WithTimeout(Task task, int time) 

{     
    Task delayTask = Task.Delay(time);     
    Task firstToFinish = await Task.WhenAny(task, delayTask);     
    if (firstToFinish == delayTask)     
    {         
        task.ContinueWith(HandleException);         
        throw new TimeoutException();     
    }     
    return await task; 
}

W powyższym przykładzie tworzę zadanie delayTask, które zakończy się po upływie określonego czasu. Następnie używam Task.WhenAny, aby wznowić działanie programu, gdy tylko któreś z zadań zakończy się - zadanie oryginalne lub limit czasowy. W przypadku, gdy czas oczekiwania minie wcześniej niż zadanie, wyrzucamy wyjątek TimeoutException. Zaletą tego rozwiązania jest to, że zadanie, które nie zostało ukończone, jest również obsługiwane, a wszelkie wyjątki są przechwytywane przy pomocy metody ContinueWith.

Kolejną kluczową kwestią w pracy z zadaniami asynchronicznymi jest obsługa anulowania operacji. W tym przypadku, zamiast łączyć logikę anulowania bezpośrednio z typem Task, używamy CancellationToken, który jest o wiele bardziej elastycznym rozwiązaniem. Każda metoda asynchroniczna, która obsługuje anulowanie, powinna przyjmować jako parametr CancellationToken. Pozwala to na anulowanie operacji w sposób, który jest mniej zależny od konkretnej implementacji metody.

Aby anulować operację, należy stworzyć obiekt CancellationTokenSource, który generuje i kontroluje token. Przykład poniżej demonstruje, jak zrealizować tę funkcjonalność:

csharp
Copy code
CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource(); 
cancelButton.Click += delegate { cts.Cancel(); }; 
int result = await dbCommand.ExecuteNonQueryAsync(cts.Token);

csharp
Copy code
foreach (var x in thingsToProcess) 
{ 
    cancellationToken.ThrowIfCancellationRequested(); 
    // Procesowanie x ... 
}

Równolegle z anulowaniem, warto poprawić doświadczenia użytkownika w trakcie długotrwałych operacji asynchronicznych, informując go o postępie wykonywania zadania. W tym celu biblioteka TAP udostępnia interfejs IProgress, który pozwala na raportowanie postępu. Takie rozwiązanie jest bardzo przydatne, gdy operacja wymaga długiego czasu oczekiwania, a użytkownik chce wiedzieć, ile jeszcze pozostało do jej zakończenia. Poniżej znajduje się przykład, jak zaimplementować raportowanie postępu:

csharp
Copy code
Task DownloadDataTaskAsync(Uri address, CancellationToken cancellationToken, IProgress<int> progress)

csharp
Copy code
new Progress<int>(percentage => progressBar.Value = percentage);

W przypadku implementacji własnych metod TAP, wystarczy wywołać metodę Report na obiekcie IProgress, aby przekazać aktualny postęp:

csharp
Copy code
progress.Report(percent);

Warto zwrócić uwagę na typ parametru, który przekazujemy do Report. Zwykle jest to typ liczbowy, np. int, jeśli mierzony jest postęp w procentach. Ważne, aby używać typów niemutowalnych, aby uniknąć problemów związanych z wielowątkowością, gdy obiekt jest przekazywany pomiędzy różnymi wątkami.

Jak wykorzystać asynchroniczność w aplikacjach .NET?

Wykorzystanie bloków do przepływu danych w aplikacjach .NET umożliwia tworzenie rozbudowanych systemów, w których równoległe przetwarzanie danych przyspiesza obliczenia i minimalizuje opóźnienia. Z perspektywy technicznej, blok JoinBlock łączy różne strumienie wejściowe w jeden, zwracający krotki zestaw danych, a jego zastosowanie może obejmować szeroki zakres obliczeń, które realizują funkcje typu przenośnego, zbliżone do mechanizmów taśm produkcyjnych. Choć systemy oparte na blokach domyślnie działają równolegle, w każdym z bloków przetwarzana jest tylko jedna wiadomość w danym momencie. Tego rodzaju podejście jest wystarczające, jeśli czas przetwarzania danych w blokach jest równy. Problemy pojawiają się, gdy jeden z etapów przetwarzania jest zauważalnie wolniejszy od innych. W takich przypadkach bloki ActionBlock i TransformBlock mogą działać równolegle w ramach tego samego bloku, dzieląc zadanie na identyczne mniejsze jednostki i równocześnie je przetwarzając. Dzięki temu cały proces przetwarzania danych staje się bardziej efektywny, a czas oczekiwania na wynik znacznie się skraca.

Wprowadzenie asynchronicznych metod w ramach bloku danych TPL Dataflow daje kolejne korzyści. Delegaty, które są przekazywane do bloków ActionBlock i TransformBlock, mogą być teraz asynchroniczne i zwracać obiekt Task. Pozwala to na uruchomienie długotrwałych operacji w tle bez nadmiernego obciążania wątków, co jest kluczowe w przypadku obliczeń, które wymagają czasu, takich jak operacje zdalne. Dzięki wsparciu asynchroniczności możliwe jest równoległe wykonywanie takich operacji, co w praktyce oznacza oszczędność zasobów i większą płynność działania aplikacji.

Przechodząc do zagadnienia testowania asynchronicznego kodu, zauważamy istotne trudności, z którymi borykają się programiści. Kod asynchroniczny zwraca szybko, często w postaci obiektu Task, który sygnalizuje zakończenie operacji w przyszłości. Klasyczny sposób wywołania asynchronicznego kodu w testach, wykorzystujący metodę await, okazuje się problematyczny, ponieważ metoda testowa oznaczona jako async zwraca szybko, zanim faktycznie nastąpi wykonanie operacji. To może prowadzić do fałszywych wyników testów, w których wszystkie testy wydają się przechodzić, mimo że w rzeczywistości kod nie wykonał się prawidłowo.

Kiedy mówimy o asynchroniczności w kontekście aplikacji webowych, warto zrozumieć, jak może ona poprawić wydajność serwerów. W aplikacjach webowych, w przeciwieństwie do aplikacji UI, najważniejsze są przezbrody i opóźnienia, a nie odpowiedź użytkownika na dany event. Asynchroniczne podejście pozwala na zmniejszenie liczby używanych wątków, co w efekcie prowadzi do oszczędności pamięci, a także mniejszego obciążenia procesora, co jest kluczowe w przypadku serwerów działających pod dużym obciążeniem. Dzięki asynchroniczności serwer może obsługiwać więcej zapytań w tym samym czasie, co przekłada się na lepszą efektywność i skalowalność aplikacji webowych.

Kiedy przyjrzymy się starszym wersjom ASP.NET MVC, zauważymy, że wsparcie asynchroniczności jest bardziej skomplikowane. Zamiast korzystać z nowoczesnego wzorca TAP (Task-based Asynchronous Pattern), trzeba używać dodatkowych mechanizmów, jak na przykład AsyncManager, który kontroluje wykonanie asynchronicznych operacji. Choć jest to rozwiązanie bardziej złożone, pozwala na wprowadzenie asynchronicznych metod do starszych aplikacji. Dzięki temu możliwe jest przyspieszenie operacji, choć proces implementacji może być bardziej czasochłonny i wymagać znajomości starszych wersji frameworka.

Zrozumienie tych wszystkich mechanizmów oraz ich umiejętne zastosowanie w odpowiednich miejscach w aplikacjach może znacząco wpłynąć na poprawę wydajności systemu, zarówno w przypadku obliczeń równoległych, jak i asynchronicznego przetwarzania zapytań w aplikacjach webowych.

Jak działa asynchroniczność w ASP.NET Web Forms?

Jednak warto zachować ostrożność przy wykonywaniu kodu asynchronicznego w kontekście synchronizacji ASP.NET, ponieważ jest on jedno-wątkowy. Jeśli użyjesz blokującego oczekiwania na Task, na przykład poprzez właściwość Result, istnieje duże ryzyko, że spowodujesz zakleszczenie, ponieważ dalsze oczekiwania nie będą mogły wykorzystać kontekstu synchronizacji do kontynuowania.

Również w aplikacjach WinRT, które działają w systemie Windows 8 i Windows RT dla procesorów ARM, wspierane są operacje asynchroniczne. WinRT to zbiór API wykorzystywanych w aplikacjach Windows 8, zaprojektowanych z myślą o responsywności, osiąganej poprzez programowanie asynchroniczne. Każda metoda, która może zająć dłużej niż 50 ms, jest asynchroniczna. WinRT zostało zaprojektowane w taki sposób, aby mogło być używane jednocześnie z trzema różnymi stosami technologii: .NET, JavaScript i kodem natywnym (najczęściej C++).

Jednym z kluczowych elementów WinRT jest system zwany projekcją, który pozwala na używanie tych samych interfejsów w różnych językach programowania, takich jak C#, C++, czy JavaScript. Dzięki temu każda z tych technologii może współpracować z API WinRT, nie wymagając dodatkowych specyficznych opakowań dla każdego języka. WinRT jest zaimplementowane głównie w kodzie natywnym, ale możliwe jest również pisanie komponentów WinRT w C#, które można używać w innych wspieranych językach.

Z kolei WinRT ma inny sposób obsługi anulowania operacji asynchronicznych. W .NET używamy CancellationToken, który przekazujemy jako dodatkowy parametr do metod asynchronicznych, ale w WinRT anulowanie jest wbudowane bezpośrednio w interfejs IAsyncOperation. Dzięki temu można anulować operację, wywołując metodę Cancel(), co sprawia, że API jest prostsze, chociaż nie każda operacja faktycznie zostaje przerwana po wywołaniu tej metody. Dla użytkowników .NET dostępna jest metoda AsTask, która pozwala na przekazanie standardowego CancellationToken z .NET.

Jeśli chodzi o postęp w operacjach asynchronicznych, WinRT oferuje również inne podejście. Możliwe jest uzyskiwanie informacji o postępie operacji za pomocą specjalnych interfejsów: IAsyncActionWithProgress oraz IAsyncOperationWithProgress. Te interfejsy pozwalają na subskrybowanie zdarzenia, które informuje o zmianach postępu, co jest opcjonalne. Tak jak w przypadku anulowania, dostępna jest metoda AsTask, która pozwala na integrację postępu z interfejsem IProgress w .NET.

Dzięki takiej architekturze, WinRT zapewnia elastyczność i możliwość łatwego łączenia z różnymi językami programowania, oferując wygodny sposób obsługi asynchronicznych operacji, które mogą być używane w różnych kontekstach. Istnieje także możliwość tworzenia własnych komponentów WinRT w C#, które mogą korzystać z asynchronicznych metod, ale wymaga to stosowania interfejsów WinRT, takich jak IAsyncOperation, zamiast używania Task, które jest specyficzne dla .NET.

Warto jednak pamiętać, że podczas korzystania z WinRT w kontekście asynchroniczności, użytkownicy powinni zwrócić uwagę na różnice w projektowaniu API w porównaniu do tradycyjnego podejścia opartego na Task w .NET. Chociaż obie platformy opierają się na podobnych zasadach, różnice w implementacji mogą prowadzić do nieporozumień, zwłaszcza jeśli chodzi o zarządzanie anulowaniem operacji i obsługę postępu. Szczególną uwagę warto zwrócić na zgodność metod asynchronicznych z różnymi środowiskami, w tym z .NET, co może wpłynąć na projektowanie aplikacji i sposób ich rozwoju w przyszłości.