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【C# TAP 异步编程】四、SynchronizationContext 同步上下文|ExecutionContext

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一、同步上下文（SynchronizationContext）概述

由来

多线程程序在.net框架出现之前就已经存在了。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程序以消息循环为中心，因此许多程序员使用这个内置队列来传递工作单元。每个想要以这种方式使用Windows消息队列的多线程程序都必须定义自己的自定义Windows消息和处理它的约定。

当.net框架首次发布时，这种通用模式被标准化了。那时，. net支持的唯一GUI应用程序类型是Windows窗体。然而，框架设计者预期了其他模型，他们开发了一个通用的解决方案。ISynchronizeInvoke诞生了。而SynchronizationContext就是用来取代ISynchronizeInvoke。

1、概念

同步上下文：这里同步是动词，据有归类的功能，假如有A（UI线程）、B类两线程，B线程要更新A线程的内容。如果直接在B中更新A中内容，那就是B线程多管闲事了，增加程序的耦合。为了降低程序的耦合度，B线程必须把更新A线程UI的事情还给A线程， 以消息方式把

要更改内容发送给A线程，A线程有一个堆栈用来保存B线程发送过来的消息。然后A线程根据自己情况决定什么时候更新。

如果B线程以Send()方法给A线程发送消息，B线程发送消息后什么事情都不做一直等待A线程的回复（同步），对应SynchronizationContext.Send()方法。

如果B线程以Post（）方法给A线程发送消息，B线程发送完消息后就去做其他事情了（异步）），对应SynchronizationContext.Post()方法(asp.net 除外)。

同步上下文是一种可以将工作单元（执行某些方法 多播委托）排队到上下文（主要是不同的线程）的方法。
它的作用通俗来讲就是实现线程之间通讯的。

同步上下文应用于很多场景，比如在WinForms和WPF中，只有一个UI线程可以更新UI元素（文本框，复选框等）。如果尝试从另一个非UI线程更改文本框的内容，则不会发生更改，也可能抛出异常（取决于UI框架）。因此，在这样的应用程序中，非UI线程需要将对UI元素的所有更改安排到UI线程。这就是同步上下文提供的内容。它允许将一个工作单元（执行某些方法）发布到不同的上下文
- 在这种情况下是UI线程。

注意：cpu每30毫秒切换一次

2、作用域

无论是什么平台（ASP.NET、Windows 窗体、Windows Presentation Foundation (WPF)、Silverlight 或其他），所有 .NET 程序都包含 SynchronizationContext 概念。

Microsoft
.NET
Framework提供了同步上下文的SynchronizationContext类。根据平台框架不同，又单独提供了WindowsFormsSynchronizationContext（WinForm）类、DispatcherSynchronizationContext（WPF）类等同步上下文的模型但都是继承自SynchronizationContext类。

每个线程都有一个默认的SynchronizationContext,但是不是每个线程都附加SynchronizationContext.Current这个对象，只有UI线程是一直拥有的SynchronizationContext.Current。故获取SynchronizationContext.Current也只能在UI线程上进行SynchronizationContext context = SynchronizationContext.Current;

//只有UI线程能获取到 值，这是创建一个副本，不同ExecutionContent.capture,
SynchronizationContext maincontent= SynchronizationContext.Current;//这是创建一个副本。ExecutionContent.capture是捕获引用
//asp.net 和控制获取的结果是null
SynchronizationContext maincontent= SynchronizationContext.Current;

3、原理

通过UI线程与工作线程的时序图可以看出整个更新的步骤：

整个过程中关键的是主线程的SynchronizationContext，SynchronizationContext在通讯中充当传输者的角色。在线程执行过程中，需要更新到UI控件上的数据不再直接更新，而是通过UI线程上下文的Post/Send方法，将数据以异步/同步消息的形式发送到UI线程的消息队列；UI线程收到该消息后，根据消息是异步消息还是同步消息来决定通过异步/同步的方式调用SetTextSafePost方法直接更新自己的控件了。在本质上，向UI线程发送的消息并是不简单数据，而是一条委托调用命令。

4、作用：传输者

传输者SynchronizationContext在通讯中充当传输者的角色（用Post/Send方法实现传输），实现功能就是一个线程和另外一个线程的通讯。SynchronizationContext将UI线程的同步环境保存下来，让这个环境可以在不同的线程之间流动，其他非UI线程可以用这个环境回到要ui线程执行的任务。例如在winform应用中，非UI线程中利用这个环境更新UI控件的内容，而不是利用控件的invoke方法。 SynchronizationContext.post()表示启用一个新线程来执行委托(异步执行)。SynchronizationContext.send()表示在当前线程执行(同步的）。SynchronizationContext.post是同步上下文最重要的一个方法。

Send：发送界面更新请求至主线程，阻塞当前线程直至返回。SynchronizationContext.Send(SendOrPostCallback d,object state)： 
Post：发送界面更新请求至主线程，不阻塞当前线程。SynchronizationContext.Post(SendOrPostCallback d,object state);
public
delegate void SendOrPostCallback(object state);d
为一个没有返回值，并且具有一个Object类型传入参数的委托(SendOrPostCallback )；state
为执行这个委托时的参数（object）；

注意：
SynchronizationContext的对象不是所有线程都被附加的，只有UI主线程会被附加。
对于UI线程来说，是如何将SynchronizationContext这个对象附加到线程上的呢？
在Form1 form = new Form1()之前，SynchronizationContext对象是为空，而当实例化Form1窗体后，SynchronizationContext对象就被附加到这个线程上了。
所以可以得出答案了：当Control对象被创建的同时，SynchronizationContext对象也会被创建并附加到线程上。所以在使用时，一定要等窗体InitializeComponent(); 这个完成后 它才能得到一个不是NULL的对象.

5、应用：那么如何编写我的组件与UI框架无关呢？

看过很多介绍文章介绍如何在后台线程更新主界面的，多数都是使用Control.Invoke， Control.BeginInvoke。这些都是很好的解决方案，不过有两个问题：

1． 必须的引用System.Windows.Forms，然后 using System.Windows.Forms

2． 代码结构比较零乱。（实际上这个也是#1 导致的）

微软提供了另外一个比较优雅的解决方案，就是 System.Threading. SynchronizationContext。 可以看出，它不在
namesapce System.Windows.Forms 里面，因此我们可以理直气壮地用在BusinessLaryer,
Controler，甚至 module 里面。

其实在UI线程中使用的并不是SynchronizationContext这个类，而是WindowsFormsSynchronizationContext这个东东，它是SynchronizationContext的派生类。

以下是SynchronizationContext在winform中实际应用：

案例一

案例二

二、同步上下文的派生

同步上下文的实际"上下文"没有明确定义。不同的框架和主机可以自由地定义自己的上下文。了解这些不同的实现及其局限性，可以准确地阐明同步上下文概念的作用和不足之处。我将简要讨论其中的一些实现。

1、WinForm 的同步上下文

WindowsFormsSynchronizationContext继承自SynchronizationContext
命名空间：System.Windows.Forms.dll:System.Windows.Forms

实现:

Windows Forms应用程序将创建WindowsFormsSynchronizationContext并将其安装为创建UI控件的任何线程的当前上下文。
此SynchronizationContext在UI控件上使用ISynchronizeInvoke方法，该控件将委托传递到基础Win32消息循环。
WindowsFormsSynchronizationContext的上下文是单个UI线程（单线程的）。
排队到WindowsFormsSynchronizationContext的所有委托一次执行一次；它们由特定的UI线程按排队顺序执行。当前实现为每个UI线程创建一个WindowsFormsSynchronizationContext。

为了避免死锁，就要防止异步线程切换道ui线程，代码要这样写：

async Task DoAsync()
{
await Task.Run(() => { }).ConfigureAwait(false);
}

2、WPF框架中同步上下文

源代码

using System;
using System.Threading;
using System.Windows;
using System.Windows.Threading;
using MS.Win32;public sealed class DispatcherSynchronizationContext : SynchronizationContext
{
internal Dispatcher _dispatcher; private DispatcherPriority _priority; public DispatcherSynchronizationContext()
: this(Dispatcher.CurrentDispatcher, DispatcherPriority.Normal)
{
} public DispatcherSynchronizationContext(Dispatcher dispatcher)
: this(dispatcher, DispatcherPriority.Normal)
{
} public DispatcherSynchronizationContext(Dispatcher dispatcher, DispatcherPriority priority)
{
if (dispatcher == null)
{
throw new ArgumentNullException("dispatcher");
}
Dispatcher.ValidatePriority(priority, "priority");
_dispatcher = dispatcher;
_priority = priority;
SetWaitNotificationRequired();
} public override void Send(SendOrPostCallback d, object state)
{
if (BaseCompatibilityPreferences.GetInlineDispatcherSynchronizationContextSend() && _dispatcher.CheckAccess())
{
_dispatcher.Invoke(DispatcherPriority.Send, d, state);
}
else
{
_dispatcher.Invoke(_priority, d, state);
}
} public override void Post(SendOrPostCallback d, object state)
{
_dispatcher.BeginInvoke(_priority, d, state);
} public override int Wait(IntPtr[] waitHandles, bool waitAll, int millisecondsTimeout)
{
if (_dispatcher._disableProcessingCount > 0)
{
return UnsafeNativeMethods.WaitForMultipleObjectsEx(waitHandles.Length, waitHandles, waitAll, millisecondsTimeout, false);
}
return SynchronizationContext.WaitHelper(waitHandles, waitAll, millisecondsTimeout);
} public override SynchronizationContext CreateCopy()
{
if (BaseCompatibilityPreferences.GetReuseDispatcherSynchronizationContextInstance())
{
return this;
}
if (BaseCompatibilityPreferences.GetFlowDispatcherSynchronizationContextPriority())
{
return new DispatcherSynchronizationContext(_dispatcher, _priority);
}
return new DispatcherSynchronizationContext(_dispatcher, DispatcherPriority.Normal);
}
}

DispatcherSynchronizationContext继承自SynchronizationContext
命名空间：WindowsBase.dll:System.Windows.Threading

实现:

Dispatcher的作用是用于管理线程工作项队列，类似于Win32中的消息队列，Dispatcher的内部函数，仍然调用了传统的创建窗口类，创建窗口，建立消息泵等操作。
WPF和Silverlight应用程序使用DispatcherSynchronizationContext，该代理将对UI线程的Dispatcher的委托以“Normal”优先级排队。
当线程通过调用Dispatcher.Run开始循环调度器 ，将这个初始化完成的 同步上下文 安装到当前上下文。
DispatcherSynchronizationContext的上下文是单个UI线程（单线程的。

排队到DispatcherSynchronizationContext的所有委托均由特定的UI线程一次按其排队的顺序执行。当前实现为每个顶级窗口创建一个DispatcherSynchronizationContext，即使它们都共享相同的基础Dispatcher。

为了避免死锁，就要防止异步线程切换道ui线程，代码要这样写：

async Task DoAsync()
{
await Task.Run(() => { }).ConfigureAwait(false);
}

3、默认同步上下文

源代码

// System.Threading.SynchronizationContext
using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Threading;[NullableContext(1)]
[Nullable(0)]
public class SynchronizationContext
{
[Serializable]
[CompilerGenerated]
private sealed class <>c
{
public static readonly <>c <>9 = new <>c(); [TupleElementNames(new string[] { "d", "state" })]
public static Action<ValueTuple<SendOrPostCallback, object>> <>9__8_0; internal void <Post>b__8_0([TupleElementNames(new string[] { "d", "state" })] ValueTuple<SendOrPostCallback, object> s)
{
s.Item1(s.Item2);
}
} private bool _requireWaitNotification; [Nullable(2)]
public static SynchronizationContext Current
{
[NullableContext(2)]
get
{
return Thread.CurrentThread._synchronizationContext;
}
} private static int InvokeWaitMethodHelper(SynchronizationContext syncContext, IntPtr[] waitHandles, bool waitAll, int millisecondsTimeout)
{
return syncContext.Wait(waitHandles, waitAll, millisecondsTimeout);
} protected void SetWaitNotificationRequired()
{
_requireWaitNotification = true;
} public bool IsWaitNotificationRequired()
{
return _requireWaitNotification;
} public virtual void Send(SendOrPostCallback d, [Nullable(2)] object state)
{
d(state);
} public virtual void Post(SendOrPostCallback d, [Nullable(2)] object state)
{
ThreadPool.QueueUserWorkItem(<>c.<>9__8_0 ?? (<>c.<>9__8_0 = new Action<ValueTuple<SendOrPostCallback, object>>(<>c.<>9.<Post>b__8_0)), new ValueTuple<SendOrPostCallback, object>(d, state), false);
} public virtual void OperationStarted()
{
} public virtual void OperationCompleted()
{
} [CLSCompliant(false)]
public virtual int Wait(IntPtr[] waitHandles, bool waitAll, int millisecondsTimeout)
{
return WaitHelper(waitHandles, waitAll, millisecondsTimeout);
} [CLSCompliant(false)]
protected static int WaitHelper(IntPtr[] waitHandles, bool waitAll, int millisecondsTimeout)
{
if (waitHandles == null)
{
throw new ArgumentNullException("waitHandles");
}
return WaitHandle.WaitMultipleIgnoringSyncContext(waitHandles, waitAll, millisecondsTimeout);
} [NullableContext(2)]
public static void SetSynchronizationContext(SynchronizationContext syncContext)
{
Thread.CurrentThread._synchronizationContext = syncContext;
} public virtual SynchronizationContext CreateCopy()
{
return new SynchronizationContext();
}
}

(默认)SynchronizationContext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 的线程们，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

默认SynchronizationContext是多线程的

默认的同步上下文只是将任务安排到线程池操作队列

public virtual void Post(SendOrPostCallback d, Object state)
{
ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(d), state);
}public virtual void Send(SendOrPostCallback d, [Nullable(2)] object state)
{
d(state);
}
public delegate void SendOrPostCallback(object state);

设置同步上下文

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;namespace GetSetContext
{
internal static class Program
{
public static async Task Main(string[] args)
{
Console.WriteLine($"Current Synchronization Context: {SynchronizationContext.Current}"); SynchronizationContext.SetSynchronizationContext(new MySynchronizationContext()); Console.WriteLine($"Current Synchronization Context: {SynchronizationContext.Current}"); await Task.Delay(100); Console.WriteLine("Completed!");
} private class MySynchronizationContext : SynchronizationContext
{
public override void Post(SendOrPostCallback d, object state)
{
Console.WriteLine($"Continuation dispatched to {nameof(MySynchronizationContext)}");
d.Invoke(state);
}
}
}
}

这段代码输出以下内容：

Current Synchronization Context: null
Current Synchronization Context: MySynchronizationContext
Continuation dispatched to MySynchronizationContext
Completed!

上下文捕获和执行

BackgroundWorker运行流程

  • 首先BackgroundWorker 捕获并使用调用 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 RunWorkerCompleted 在 RunWorkerAsync 捕获的 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 由 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 和 Windows服务 中的所有线程都只有 Default SynchronizationContext，这会导致一些基于事件的异步组件失败（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。

 

二、ExecutionContext 上下文的捕获和恢复

三、ExecutionContext 概述

1、ExecutionContext 实际上只是其他上下文的容器。因此在.net framework中ExecutionContext 包含：同步上下文、安全上下文、调用上下文、模拟上下文、区域性通常会与执行上下文一起流动。

2、在.net core中， 不支持安全上下文和调用上下文、同步上下文和ExecutionContex一起流动。

1、2两条内容来源：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.executioncontext?view=net-6.0

ExecutionContext 实际上是一个 state 包

  • 用于从一个线程上捕获所有 state
  • 然后在控制逻辑流的同时将其还原到另一个线程

ExecutionContext 是使用静态方法 Capture 捕获的：

// 周围环境的 state 捕获到 ec 中
ExecutionContext ec = ExecutionContext.Capture();

通过静态方法 Run ，在委托(Run方法的参数)调用时恢复 ExecutionContext

ExecutionContext.Run(ec, delegate
{
… // 这里的代码将上述 ec 的状态视为周围环境
}, null);

所有派生异步工作的方法都以这种方式捕获和还原 ExecutionContext 的。

  • 带有“Unsafe”字样的方法除外，它们是不安全的，因为它们不传播 ExecutionContext

例如：

  • 当您使用 Task.Run 时，对 Run 的调用将从调用线程中捕获 ExecutionContext ，并将该 ExecutionContext 实例存储到 Task 对象中
  • 当提供给 Task.Run 的委托作为该 Task 执行的一部分被调用时，它是使用存储的 ExecutionContext 通过 ExecutionContext.Run 来完成的

以下所有异步API的执行都是捕获 ExecutionContext 并将其存储，然后在调用某些代码时再使用存储的 ExecutionContext。

  • Task.Run
  • ThreadPool.QueueUserWorkItem
  • Delegate.BeginInvoke
  • Stream.BeginRead
  • DispatcherSynchronizationContext.Post
  • 任何其他异步API

当我们谈论“flowing ExecutionContext”时，我们实际上是在讨论：

  • 在一个线程上获取周围环境状态
  • 在稍后的某个时刻将该状态恢复到另一个线程上(需要执行提供的委托的线程)。

ExecutionContext类创建副本以便传播

  • ExecutionContext无法在另一个线程上设置与线程关联的。 尝试这样做将导致引发异常。 若要将 ExecutionContext 从一个线程传播到另一个线程，请创建的副本 ExecutionContext 。
  • ExecutionContext类提供  CreateCopy 创建当前执行上下文的副本。

三.   ExecutionContext 和 SynchronizationContext使用区别

前面我们介绍了 SynchronizationContext 是如何调度线程的，现在，我们要进行进行一次对比：

  • flowing ExecutionContext 在语义上与 capturing and posting to a SynchronizationContext 完全不同。

  • ExecutionContext 的流动无法控制、这是框架故意这样设计的，开发人员在编写异步代码时不必担心 ExecutionContext ；它在基础架构级别上的支持，有助于在异步环境中模拟同步方式的语义（即TLS）；

  • SynchronizationContext的流动是可以控制的，可以通过task.ConfigureAwait(bool) 传入false关闭为 false ，则等待者(awaiter) 不检查 SynchronizationContext ，就像没有一样

  • 当 ExecutionContext 流动时，您是从一个线程捕获 state ，然后还原该 state
    • 使提供的委托执行时处于周围环境 state
  • 当您捕获并使用 SynchronizationContext 时，不会发生这种情况。
    • 捕获部分是相同的，因为您要从当前线程中获取数据，但是随后用不同方式使用 state
    • SynchronizationContext.Post 只是使用捕获的状态来调用委托，而不是在调用委托时设置该状态为当前状态
      • 该委托在何时何地以及如何运行完全取决于Post方法的实现
         
         
         
         

参考文章：

https://www.cnblogs.com/BigBrotherStone/p/12240731.html#%E4%B8%8A%E4%B8%8B%E6%96%87%E6%8D%95%E8%8E%B7%E5%92%8C%E6%89%A7%E8%A1%8C

https://blog.csdn.net/starrycraft/article/details/113658608

https://docs.microsoft.com/zh-cn/archive/msdn-magazine/2011/february/msdn-magazine-parallel-computing-it-s-all-about-the-synchronizationcontext

https://blog.csdn.net/kalvin_y_liu/article/details/117787437?spm=1001.2101.3001.6650.1&utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2%7Edefault%7ECTRLIST%7Edefault-1.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2%7Edefault%7ECTRLIST%7Edefault-1.nonecase