Jak stworzyć i używać "Puppet Task" w asynchronicznych operacjach?

W przypadku projektowania aplikacji z użyciem wielowątkowości, istnieje wiele praktycznych rozwiązań, które mogą pomóc w lepszym zarządzaniu zadaniami asynchronicznymi. Jednym z takich rozwiązań jest użycie tzw. "Puppet Task", który pozwala na elastyczne tworzenie zadań asynchronicznych w sytuacjach, kiedy operacja długoterminowa nie jest dostępna jako TAP (Task-based Asynchronous Pattern). Stworzenie takiego zadania może być istotnym elementem efektywnego zarządzania asynchronicznymi operacjami w aplikacji.

Pierwszym ważnym aspektem jest zrozumienie, dlaczego nie zawsze warto, aby to wywołanie API samo zarządzało wątkami. W rzeczywistości, jeśli chodzi o aplikacje internetowe, stosowanie puli wątków nie daje realnych korzyści; w tym przypadku kluczowe jest jedynie optymalizowanie całkowitej liczby wątków. Używanie Task.Run może wydawać się prostym rozwiązaniem, ale lepiej pozostawić to wywołującym API, które ma pełniejszą wiedzę o wymaganiach dotyczących wątków.

Kiedy chcemy zrealizować operację, która nie jest od razu dostępna jako metoda asynchroniczna, lecz wymaga ręcznego zarządzania asynchronicznością, przydatnym narzędziem staje się TaskCompletionSource. Jest to sposób na ręczne utworzenie zadania (Task), które działa niczym "marionetka" — nie jest ono od razu zakończone, a jego ukończenie możemy kontrolować w dowolnym momencie, w tym również wtedy, gdy wystąpi błąd, który chcemy zgłosić.

Załóżmy, że chcemy stworzyć metodę, która wyświetla okno dialogowe, pytając użytkownika o pozwolenie na wykonanie jakiejś czynności w aplikacji. Takie zapytanie może być wywoływane w różnych częściach aplikacji, dlatego warto je zdefiniować w jednym miejscu, aby było łatwo dostępne. Zamiast implementować metodę synchroniczną, która blokuje główny wątek, lepiej będzie uczynić ją asynchroniczną, zwracając kontrolę nad UI, aby użytkownik mógł swobodnie korzystać z aplikacji w czasie, gdy oczekujemy na odpowiedź.

Przykładowa implementacja tej metody wygląda następująco:

csharp
Copy code
private Task GetUserPermission() 
{ 
    // Tworzymy TaskCompletionSource, by zwrócić "marionetkowe" zadanie
    TaskCompletionSource<bool> tcs = new TaskCompletionSource<bool>();
    // Tworzymy dialog
    PermissionDialog dialog = new PermissionDialog(); 
    // Po zamknięciu dialogu ustawiamy wynik zadania
    dialog.Closed += delegate { tcs.SetResult(dialog.PermissionGranted); }; 
    // Wyświetlamy dialog
    dialog.Show(); 
    // Zwracamy zadanie, które jeszcze nie zostało ukończone
    return tcs.Task; 
}

Zaletą tego podejścia jest to, że wywołujący może po prostu użyć metody w sposób asynchroniczny, czekając na wynik odpowiedzi użytkownika:

csharp
Copy code
if (await GetUserPermission()) 
{ 
    // kod po uzyskaniu zgody użytkownika 
}

Mimo że rozwiązanie to jest bardzo proste i efektywne, to jednak należy pamiętać o pewnym mankamencie, który może się pojawić w niektórych przypadkach — braku wersji TaskCompletionSource, która nie jest generyczna. Niemniej jednak, ponieważ Task jest podklasą Task<T>, można używać TaskCompletionSource wszędzie tam, gdzie potrzebny jest zwykły Task, a zwrócone przez nas zadanie będzie w pełni poprawne.

Dzięki temu mechanizmowi, aplikacja staje się bardziej elastyczna i przyjazna użytkownikowi, a operacje asynchroniczne są bardziej kontrolowane i mniej narażone na błędy wynikające z nadmiernego zarządzania wątkami lub nieodpowiedniego skalowania operacji.

Jak zarządzać wątkami i operacjami asynchronicznymi w aplikacjach UI i webowych?

W kontekście aplikacji z interfejsem użytkownika (UI) i aplikacji internetowych, szczególną uwagę należy zwrócić na mechanizm asynchroniczny, który pozwala na wykonywanie operacji bez blokowania głównego wątku. Mechanizm ten, choć ułatwia pracę programistów, wymaga zrozumienia wielu subtelnych szczegółów dotyczących wątków i synchronizacji.

Należy pamiętać, że sam mechanizm asynchroniczny nie gwarantuje, że aplikacja UI będzie działała płynnie. Nawet jeśli wywołujesz kod asynchroniczny, to wszystko, co wykonuje się przed pierwszym await, jest obsługiwane przez główny wątek UI, który może w tym czasie stać się nieodpowiedzialny. Jeśli zauważymy, że nasza aplikacja działa wolno, warto użyć narzędzi do profilowania wydajności, aby dokładnie sprawdzić, gdzie traci się najwięcej czasu. Choć kod asynchroniczny pozwala na uniknięcie blokowania wątków, nie zawsze oznacza to pełną optymalizację pod względem wydajności.

Podczas działania operacji asynchronicznej pojawia się pytanie, który wątek wykonuje konkretną operację. W kontekście typowych operacji asynchronicznych, takich jak zapytania sieciowe, żaden wątek nie jest bezpośrednio zablokowany na czas oczekiwania. Na przykład, kiedy oczekujemy na odpowiedź z sieci, zapytanie jest realizowane przez jeden z wątków przeznaczonych do obsługi operacji we/wy (I/O completion port) w systemie Windows. W przypadku dużej liczby równoczesnych żądań sieciowych, wszystkie one są obsługiwane przez ten sam wątek I/O, który jest odpowiedzialny za obsługę zakończenia operacji i przekazywanie wyników do aplikacji. W praktyce, w systemach wielordzeniowych, wykorzystywanych jest kilka wątków I/O, ale ich liczba nie zmienia się zależnie od liczby oczekujących zapytań.

Sama metoda Post jest podstawowym mechanizmem umożliwiającym uruchomienie delegata w odpowiednim kontekście wątku. Działa to również w sytuacjach, gdy kontekst wątku obejmuje więcej niż jeden wątek, na przykład w przypadku wątków puli wątków. Istnieją również scenariusze, w których SynchronizationContext nie zmienia wątku, na przykład w przypadku aplikacji konsolowych, które nie mają kontekstu UI. Oczywiście, w przypadku takich aplikacji, proces wznowienia asynchronicznej operacji może odbywać się na dowolnym wątku, a niekoniecznie na tym samym, na którym operacja została początkowo rozpoczęta.

Większość aplikacji UI nie musi się martwić o szczegóły synchronizacji, ponieważ SynchronizationContext w tych środowiskach zawsze dba o to, by kod po await był wznowiony w kontekście głównego wątku. Dzięki temu manipulowanie elementami interfejsu użytkownika po wykonaniu operacji asynchronicznej nie wiąże się z żadnymi dodatkowymi komplikacjami.

Chcąc zobrazować życie operacji asynchronicznej, warto przyjrzeć się przykładzie, w którym użytkownik klika przycisk w aplikacji, wywołując metodę asynchroniczną. Proces zaczyna się od kliknięcia przycisku, po czym wykonana zostaje część kodu w głównym wątku UI. Następnie kod wywołuje inną metodę asynchroniczną, która rozpoczyna operację sieciową. W momencie oczekiwania na dane, główny wątek UI nie jest zablokowany, a wątek I/O przejmuje kontrolę nad oczekiwaniem na odpowiedź sieciową. Po zakończeniu pobierania danych wątek I/O wywołuje powrót do głównego wątku UI, aby kontynuować wykonanie kodu i zaktualizować interfejs użytkownika.

Zrozumienie tej dynamiki jest kluczowe dla programistów, którzy chcą tworzyć wydajne aplikacje asynchroniczne. Ważne jest, by pamiętać, że operacje asynchroniczne nie oznaczają jednocześnie, że aplikacja stanie się automatycznie szybsza. Kluczem do sukcesu jest właściwe zarządzanie wątkami i synchronizacją oraz unikanie błędów związanych z zablokowaniem głównego wątku UI, co może skutkować spadkiem wydajności lub opóźnieniami w odpowiedziach na interakcje użytkownika.