async i await – višenitno programiranje bez niti II dio


Novine koje dolaze sa C# 5.0 već su postale „lanjski snijeg“, obzirom da je već prošlo 4 mjeseca od pdc10 na kojem je Anders Hejlsberg prezentirao buduću verziju C# 5.0. Pored kompajler kao servis, i još nekoliko novina, prezentiran je novi koncept programiranja nazvan asinhrono programiranje. Šta je asinhrono programiranje i zašto nam može poslužiti, biće prezentirano u nekoliko blog postova.

Teorija iza async i await

Kako smo u prethodnom dijelu napravili uvod u asinhrono programiranje, sada je potrebno definisati nove ključne riječi aync i await koje nam služe da implementiramo asinhronu logiku na način da se direktno ne formiraju niti.

Razlog pojave asinhronog programiranja leži u sve većim zahtjevima koji se postavljaju pred arhitekte i developere, a sastoje se u interakciji sa vanjskim izvorima informacija poput interneta, VPN mrežama i drugim vrstama gdje se reagovanje na zahtjeve može znatno produžiti. S druge strane zahtjevi koji se postavljaju pred dizajnere korisničkog iskustva UX zahtjevaju potpuni ugođaj, odziv u svakom trenutku na korisnikove aktivnostii, te optimizarano vrijeme interakcije korisnik-aplikacija. Pored ovih postoje i drugi zahtjevi poput optimalne iskorištenosti procesorskog vremena u procesiuranju informacija i sl, što je odgovor na razvoj multy-core i many-core procesora. S druge strane, svi ovi zahtjevi posljedica su konstantnog unapredjenja i razvoja hardvera: sve veći razvoj pametnih telefona, tableta, notebooka, interneta društvenih mreža, protoka informacija i korištenja istih.

Microsoft ove zahtjeve i izazove želi riješiti suštinski i ugraditi ih u sami programski jezik što predstavlja pravi dizajnerski podvig. Samim tim što želi imati ovako složenu logiku iza samo dvije ključne riječi async i await .NET programske jezike C# i VB postavlja daleko ispred svojih konkurenata. Asinhrona tehnika programiranja te počinje da se razvija i još puno toga ćemo čuti na račun async i await.

No krenimo ispočetka i pokušajmo vidjeti kako radi koncept asihronog mehanizma preko async i await.

“LongRunnging” operacije ili dijelove koda, koje želimo da nam ne blokiraju UI nit, dekorišemo sa ključnom riječju await. Kako metoda koja je dekorisana sa await treba da vrati objekat tipa Task<T> moguće je nekoliko scenarija, koja će biti definisana kasnije. Metoda koja neposredno poziva “LongRunning” operaciju dekoriše se sa ključnom riječju async, koja upućuje kompajleru da se u tijelu ove metode koriste asinhrone operacije. Sljedeći listing pokazuje primjer korištenja ključnih riječi:

//Svaka metoda sa async označena je kao asinhrona
private async void AsyncOperationSample()
{
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        //await- omogućava da se izvrši operacije bez blokiranja UI niti
        await TaskEx.Delay(100);
    }
}

Na koji način gornji primjer radi?
Da bi u potpunosti shvatili gornji listing potrebno se prisjetiti šta je Task u konceptu TPL-a (Task Parallel Library)- novog proširenja u .NET 4.0. Kako je Task asihnhrona operacija koja će u budućnosti da se izvrši i da vrati vrijednost tipa T, tako i cijela linija predstavlja asinhronu operaciju koja može biti tretirana od strane JIT kompajlera na više načina:

  1. Način je da se operacija izvrši trenutno, odnosno da await operator izvrši operaciju bez dodatnog formiranja radne niti.
  2. Način je da je Task neka I/O operacija, koja i u ovom slučaju ne formira dodatnu nit već se izvršava otvarajući IO portove i opet bez dodatnih radnih niti.
  3. Način je da se operacija izvrši formirajući jednu ili više niti zavisno od raspoloživog hardvera, a zašto će se postarati klasa Task, te operaciju završiti na optimalan način uz maksimalno iskorištavanje hardvera.

Iz ovog pregleda vidimo da je asinhrono puno više od samog višenitnog programiranja. Ovaj koncept predstavlja jednistven programski model koji ne zavisi od prirode problema koji se programira. Asinhrono programiranje podrazumijeva korištenje jednog koncepta, koji je vrlo sličan sekvencijalnom programskom modelu, u implementaciji raznih scenarija asinhronog programiranja poput: IO, LAN, WAN i In-Memory i sl.

Primjer korištenja async i await

Windows Forms primjer koji smo implementirali u prethodnom blog postu biće tretiran i ovdje. Međutim, da bi koristili ove osobine C# 5.0, potrebno je skinuti Visual Studio ASYNC CTP koji se nalazi na ovom linku.
sl_asyncbr2
U koliko imate već instaliran SP 1 za Visual Studi 2010 na žalost niste u mogućnosti (bar je to kod mene bio slučaj) da koristite ovaj feature jer nije kompatibilan.

Nakon instalacije koja traje nekoliko minuta, u startnom meniju dobijete novu stavku koja vas upućuje na dokumentaciju i puno demo primjera za async, dovoljno da počnete koristiti ovu tehniku.
Formirajte novi Windows Forms projekat te implementirajte kontrole kao na sljedećoj slici. U biti isto što i u primjeru prethodnog posta, samo bez BackgroundWorker komponente.
sl_asyncbr3
Da bi u novom projektu mogli koristiti async i await potrebno je referencirati AsyncCTPLibrary.dll,  CTP biblioteku koja se nalazi u Samples instaliranom u vašem Document folderu. Na sljedećoj slici se vidi način kako se referencira potrebni dll.
sl_asyncbr1
Demo primjer ćemo implementirati u dvije varijante prvu običnu sekvencijalnu, te drugu asinhronu varijantu.

1. Sekvencijalna varijanta:

Deklarišimo događaje za Run Operation 1 i Cancel Operation dugmad i implementirajmo demo tako da ne znamo ništa oko višenitnog i asinhronog programiranja.


private void operation1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    SequentialOperation();
}

bool bCancelOperation = false;

private void SequentialOperation()
{
    operation1Btn.Enabled = false;
    cancelOperation1Btn.Enabled = true;
    for (int i = 0; i <= 100; i++)
    {
        if (bCancelOperation)
        {
            bCancelOperation = false;
            MessageBox.Show("Operation is canceled!");
            break;
        }
        progressBar1.Value = i;
        //
        Thread.Sleep(200);
    }
    operation1Btn.Enabled = true;
    cancelOperation1Btn.Enabled = false;
}

private void cancelOperation1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    bCancelOperation = true;
}

Iz listinga vidimo da imamo događaj za pokretanje operacije te samu operaciju koja je simulirana sa metodom Sleep. Kada pokrenemo ovakav demo vidimo da je naš UI potpuno zamrznut, te je irelevantno implementirati Cancel Operation1 dugme jer operaciju ne možemo otkazati niti zatvoriti prozor.

2. Asinhrona varijanta

Na potpuno isti način uz korištenje async i await implemenitiraćemo asinhronu verziju ovog primjera.

private void operation1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    AsyncOperationSample();
}
bool bCancelOperation = false;
//This method is sample of async operation
private async void AsyncOperationSample()
{
    operation1Btn.Enabled = false;
    cancelOperation1Btn.Enabled = true;

    for (int i = 0; i <= 100; i++)
    {
        if (bCancelOperation)
        {
            bCancelOperation = false;
            MessageBox.Show("Operation is canceled!");
            break;
        }
        progressBar1.Value = i;
        //await yields control until awaited task completes
        await TaskEx.Delay(100);
    }
    operation1Btn.Enabled = true;
    cancelOperation1Btn.Enabled = false;
}
private void cancelOperation1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    bCancelOperation = true;
}

U koliko se shvati šta u biti znači ova tehnika, otvaraju se novi i jednostavniji načini implementacija asinhronih operacija, a dosadašnji kompleksni scenariji postaju više funkcionalni i jednostavniji za održavanje. Source code za ovaj primjer možete sinuti sa ovog linka.

async i await – višenitno programiranje bez niti – 1. dio


Novine koje dolaze sa C# 5.0 već su postale „lanjski snijeg“, obzirom da je već prošlo 4 mjeseca od pdc10 na kojem je Anders Hejlsberg prezentirao buduću verziju C# 5.0. Pored kompajler kao servis, i još nekoliko novina, prezentiran je novi koncept programiranja nazvan asinhrono programiranje. Šta je asinhrono programiranje i zašto nam može poslužiti, biće u prezentirano nekoliko blog postova.

Uvod

Kako možemo definisati asinhrono programiranje?

To nije ništa drugo do jedna vrsta višenitnog programiranja, ali bez direktnog formiranja niti.

Kako bi na najjednostavniji način pokušali objasniti asinhrono programiranje potrebno je prvo definisati i detektovati probleme u razvoju aplikacija do kojih je dovela pojava ove vrste programiranja.

Višenitno programiranje zadnjih godina postaje sve više prisutno, jer aplikacije koje se danas razvijaju postaju više ovisne od raznih servisa koji se obično nalaze na udaljenim računarima ili pak u oblacima. S druge strane, postoje aplikacije koje u svom sastavu imaju funkcije koje izvršavaju vrlo duge operacije, pri čemu je korisnički interfejs uglavnom nepomičan i zamrznut, te danas predstavlja staromodan i prevaziđen način dizajniranja aplikacija.

Podsjećanja radi, svaka .NET (slobodno možemo reći i bilo koja Windows) aplikacija posjeduje samo jednu nit i ona se zove UI ili glavna nit (main thread). Bez dodatnog programiranja u dotičnoj aplikaciji sve operacije se izvršavaju sekvencijalno: jedna po jedna odnosno, svaka operacija mora čekati sve prethodne operacije da se izvrše da bi se sama izvršila. Što u kontektu prethodnih razmatranja predstavlja vrlo ozbiljan problem, jer mi želimo da imamo mogućnost izvršavanja, paralelno više operacija odjednom, jer imamo hardver koji to podržava, imamo memoriju koja to može prihvatiti, i na kraju imamo više procesorskih jezgri koje to mogu obraditi. S druge strane zahtjevi kupaca za takvim aplikacijama postalo je must. Pa zašto bi čekali, jer na kraju vrijeme je novac.

Kako .NET danas može doskočiti ovim problemima?

Prvenstveno tako što će „long-running“ operacije „prebaciti“ iz UI niti u radnu nit (worker thread), tako da ova prva bude slobodna i da može reagovati na korisničke aktivnosti.

A kako se ovakve logike implementiraju?

Višenitnim programiranjem koje je u principu složeno i za najiskusnije developere, a posebno onda kad ih je puno i potrebno pronaći neki logički bug, koji se tu pojavio nakon svih mogućih testova. Tad dotični programer kune majku što ga je rodila.

Od samog pojavljivanja .NET višenitno programiranje zastupljeno je u određenoj mjeri i od prve verzije pokušava se ovaj način programiranja usavršiti, što u principu predstavlja i zadaću .NET frameworka. Prije samog upoznavanja sa novim ključnim riječima async i await, vrlo je važno upoznati se sa današnjim tehnikama višenitnog programiranja koje će ovdje kratno biti prezentirane.

Današnje tehnike za višenitno programiranje

Klasa Thread

Formirati radnu nit i u njoj pozvati funkciju da nešto izvrši, jednostano možemo uraditi koristeći klasu Thread, koja se nalazi u System.Threading. Primjer kako se to radi prikazano je na sljedćem listingu.

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
// thwo worker thread is constructed
Thread thread1 = new Thread(new ThreadStart(Operation1));
Thread thread2 = new Thread(new ThreadStart(Operation2));
// first start thread 1
thread1.Start();
// then start thread two
thread2.Start();

//Press any key to continue
Console.ReadKey();

}

public static void Operation1()
{
System.Threading.Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine("I am operation one.");
}

public static void Operation2()
{

System.Threading.Thread.Sleep(1000);
Console.WriteLine("I am operation two.");
}
}

Rezultat gornjeg listinga je prikazan na sljedećoj slici.

clip_image002

Sa slike možemo vidjeti da se prva izvršila metoda koja se druga startala tj. Operation2. Po konceptu sekvencijalnog programiranja ovo je nemoguće, ali u koliko smo formirali dvije potpuno neovisne niti, koje se izvršavaju neovisno od glavne UI niti, ovo je potpuno normalno. Oko višenitnog programiranja možete više saznati na linku koji se nalazi u referencama za ovaj blog post.

BackgroundWorker novina u .NET 2.0

Sirovo korištenje Thread klase predstavljalo je problem, jer na mnogim dijelovima u aplikaciji potrebno je formirati samo jednu radni nit, u koju se treba poslati neka operacija za izvršavanje. Novina koja je došla sa .NET 2.0 zvala se BackgrounWorker i predstavljala je jednu od najpopularnijih komponenata u WinForms toolboxu. Formiranje jedne radne niti preko BackgroundWorker komponente postalo je dosta pojednostavljeno. Na sljedećoj slici prikazan je jedan od načina kako definisati ovu komponentu u aplikaciji. Obzirom da se nalazila kao komponenta u Toolboxu, drag & drop funkcijom moguće je formirati u aplikaciji.

clip_image004

Nakon povlačenja i spuštanja u formu (br. 1), potrebno je definisati događaje: DoWork 1, ProgressChanged 2 i ProgressCompleted 3, te implementirati logiku. Naredni listing prikazuje kako radi BackgroundWorker.

Pored definisanja događaja potrebno je backgroundWorker podesiti da obavještava o progresu, na način kako je prikazano na slici.

Kada kliknemo na dugme Operation1, program starta sa procesuiranjem, i nakon svakog intervala preko ProgressChanged informacija o progresu se proslijedi, te na kraju procesuiranja pozove ProgressCompleated informirajući da se operacija zavrsila. Važno je napomenuti da su ovi događaji pozivaju u UI niti, i slobodno možemo „dirati“ kontrole Form1.

public partial class Form1 : Form
{

public Form1()
{
InitializeComponent();
}

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
//Call DoWork in workre thread
backgroundWorker1.RunWorkerAsync();
}

private void backgroundWorker1_DoWork(object sender, DoWorkEventArgs e)
{
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
Thread.Sleep(500);
//Reports progress about operation state
backgroundWorker1.ReportProgress(i+1);
}
}

private void backgroundWorker1_ProgressChanged(object sender, ProgressChangedEventArgs e)
{
progressBar1.Value = e.ProgressPercentage;
}

private void backgroundWorker1_RunWorkerCompleted(object sender, RunWorkerCompletedEventArgs e)
{
MessageBox.Show("Operation1 has been completed.");
}
}

BackgroundWorker je pravo jednostavan, ali pri složenijoj logici ipak moramo pribjeći formiranju objekata Thread klase, te se upustiti u pustolovinu višenitnog programiranja.

Zaključak

Prethodno su prikazane najčešće tehnike za višenitno programiranje te stoga i dovoljna uvertira u analizu novih ključnih riječi u C# 5.0 i višenitnog odnosno asinhronog programiranja.

U sljedećem postu upustićemo se u analizu async i await ključnih riječi te vidjeti kako programirati višenitno bez niti, ili u prevodu kako sekvencijalan kod natjerati da radi višenitno, te pokušati prognozirati da li je stvarno došao kraj višenitnom programiranju kao jednom od najsloženijih tehnika programiranja.

Izvorni kod za prvi dio članka o asinhronom programiranju možete skinuti sa ovog linka. Ažurirana verzija izvornog koda može se pronaći na ovom linku.

References:

1. http://www.c-sharpcorner.com/uploadfile/mgold/multithreadingintro10062005000439am/multithreadingintro.aspx