PDC 2010：C#与Visual Basic的未来（上）

    PDC不愧为微软最高级的技术人员专业会议，看得我直呼过瘾。前几天在PDC 2010会议上Anders Hejlsberg发表了一场名为“The Future of C# and Visual Basic”的演说，谈论了未来C#和VB中最为重要的两个特性：“异步(Async)”及“编译器即服务?ompiler as a Service)”。我现在对这场演讲进行总结，但不会像上次《编程语言的发展趋势及未来方向》那样逐句翻译，而是以Anders的角度使用一种简捷合适的方式表述其完整内容。

    在2000年的PDC上，我们给大家带来了一个全新的平台“.NET”，以及一个语言“C#”。.NET与C#每次发布时都有一个“主题”，一开始是“托管代码”，接着是“泛型”，然后是“LINQ”，直到最近的“动态性”，这就是C#和VB的演变过程。这两种语言面向的用户比较相近，微软也承诺会同时发展两种语言。因此这个演讲虽然以C#作为主题，但其实也会在VB中得以体现。

    作为语言的设计者，要设法将工业界所重视的内容，使用语言表现出来，因此也有了这样的分类。“声明式”代表了一种编程的趋势，尽可能表现出“做什么”而不是“怎么做”，于是有了函数式编程与DSL等等。然后，目前研究的热门之一则是动态语言，如Python，Ruby，JavaScript等等，以及它们是如何影响静态语言的。还有便是“并发”，这里所指的广义的“并发”，包括单机上多核以及云或是数据中心上分布式系统等等，也就是各种“同时处理”的方式。

    我们可以清楚地看到，C# 3.0和VB 9中的函数式编程，LINQ等特性体现了“声明式”，而C# 4.0和VB 10则出现了动态性，但都没有太多关于“并发”的成分在里面──它都体现在框架中了，例如.NET 4包含了任务并行库(Task Parallel Library)，但对于语言来说，除了lock似乎就没有什么这方面的支持了。

    如今对“并发”的需求已经是毋庸质疑的，很少有一个应用程序或是服务不需要连接外部系统。这种与外部系统，例如互联网进行交互的行为则增加了应用程序的延迟，这可能导致UI在和外部服务交互时长时间失去响应。而对于一个数据中心的服务，您可能就会发现CPU的利用率不高，因为系统都在等待其他服务的回复了。

    为了解决这个问题，我们往往会使用“异步”的编程方式，它逐渐已经成为“高响应度”，“高伸缩性”的代名词了。此外还有一些API只提供了异步的版本，例如在JavaScript中发起HTTP请求，或是Silverlight的网络交互方面。这种情况以后只会越来越普遍。

    于是下一版本的C#和VB就会在这里有所行动，目前会展示一下我们的早期工作，希望可以得到一些反馈。

    说到异步化，您可以简单认为“一起运行”。一个同步方法，好比DownloadString，应用程序会执行这个方法，并等待结果返回，但是你不能把工作的执行过程与结果的送达区分开来。而对于异步编程来说，DownloadStringAsync在调用之后便会立即返回，过了一段时间，结果就会传递过来，于是执行过程和结果的送达便完全是可分离的了。而对于如今典型的异步模型来说，结果通过一个回调函数传递过来。

    异步化可以的得到高度的响应能力，因为在等待任务的结果时我们可以做其他一些事情。而对于服务器来说，异步可以带来很好的伸缩性，因为线程得到释放了，而不需要等待请求返回结果。

    通过图示可以更清楚地了解这点。例如有段代码叫做DownloadData，调用以后可以得到一些数据。在执行时，线程会有长时间的终止，它被阻塞了，要等到结果返回之后才能继续处理数据。与此相对的是其异步的版本，我们调用DownloadDataAsync方法之后，它立即将控制权交还给我们，过了一段时间，它会把结果传递给回调函数，让我们继续处理下去。但是在DownloadData和ProcessData之间，我们可以处理其他一些工作。如果这是UI线程，那么就可以用于响应其他用户操作。如果这是个服务器线程，那么在等待结果时这个线程可以用来处理其他请求。

    那么，如果我们要执行多个请求，例如要调用两遍，对于同步的版本就会获得双倍的阻塞，即便两个请求是完全独立的。而在异步的情况下，我们可以快速地发出两个请求，这样便形成的并发，即便这里并没有使用额外的线程。于是便可以更快地得到结果，也能保证响应能力。

    有人可能会说，我们可以利用后台线程来得到响应。没错，不过就引入了多线程模型，于是就要处理同步等线程安全问题。而且，在开发带有UI的应用程序时，我们不能在后台线程里操作UI，这样又出现了其他的复杂情况。而在服务器应用中，我们又不希望创建更多的线程，因为这会给线程池带来压力，线程之间会有竞争，就会降低请求的处理能力。

    以上便是对异步编程的概述，您可能会问，既然异步有那么多好处，那么为什么不把所有的应用程序都写作异步的呢？那么现在我们就来看一下异步编程大概是什么样子的。

    这里有个简单的应用程序，输入年份，可以下载到那一年的电影。现在这个程序是同步的写法。在搜索的时候UI会失去响应，这样的结果显然无法令人接受，我们要做的更好。我们可以将其改写为异步的形式。

    同步的写法是这样的：

private void searchButton_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    LoadMovies(Int32.Parse(textBox.Text));
}

void LoadMovies(int year)
{
    resultsPanel.Children.Clear();
    statusText.Text = "";
    var pageSize = 10;
    var imageCount = 0;

    while (true)
    {
        var movies = QueryMovies(year, imageCount, pageSize);
        if (movies.Length == 0) break;
        DisplayMovies(movies);
        imageCount += movies.Length;
    }

    statusText.Text = String.Format("{0} Titles", imageCount);
}

Movie[] QueryMovies(int year, int first, int count)
{
    var client = new WebClient();
    var url = String.Format(query, year, first, count);
    var data = client.DownloadString(new Uri(url));

    var movies =
        from entry in XDocument.Parse(data).Desendanies(xs + "entry")
        let properties = entry.Element(xm + "properties")
        select new Movie
        {
            /* ... */
        };

    return movies.ToArray();
}

    在点击按钮以后会调用LoadMovies方法，它会在一个循环中不断使用QueryMovies方法进行查询，在QueryMovies方法中我们使用WebClient下载一个XML，解析，构造Movie对象并返回，最终呈现在界面上。

    下载时我们使用DownloadString方法，这是个同步方法，我们要把它修改成异步的方式。事实上还真有个异步的方法，叫做DownloadStringAsync，不过这就需要我们修改代码，例如要把QueryMovies中的大部分放入DownloadStringCompleted事件的处理函数中。同时，异步编程的痛苦慢慢体现出现了，我们无法返回数据，而必须传递到某个地方，于是QueryMovies方法则要返回void，并接受一个回调函数。

void QueryMovies(int year, int first, int count, Action action)
{
    var client = new WebClient();
    var url = String.Format(query, year, first, count);

    client.DownloadStringCompleted += (sender, e) =>
    {
        var data = e.Result;
        var movies =
            from entry in XDocument.Parse(data).Descendants(xs + "entry")
            let properties = entry.Element(xm + "properties")
            select new Movie
            {
                /* ... */
            };

        action(movies.ToArray());
    };

    client.DownloadStringAsync(new Uri(url));
}[]>

    然后我们还需要处理QueryMovies的调用者，这里实在麻烦到家了，因为我们使用了一个while循环来查询电影，那么我们又该如何反复调用一个异步方法？

void LoadMovies(int year)
{
    resultsPanel.Children.Clear();
    statusText.Text = "";
    var pageSize = 10;
    var imageCount = 0;

    Action action = null;
    action = movies =>
    {
        if (movie.Length > 0)
        {
            DisplayMovie(movies);
            imageCount += movies.Length;
            QueryMovies(year, imageCount, pageSize, action);
        }
        else
        {
            statusText.Text = String.Format("{0} Titles", imageCount);
        }
    };

    QueryMovies(year, imageCount, pageSize, action);
}[]>

    你一定已经发现了，现在的代码已经很难让人保持愉快了。不过它的确是异步的了，运行时界面响应良好。效果是有了，不过这代码变得乱七八糟。想象一下，如果要加上异常处理该怎么做？我们可能要提供两个回调函数，一个处理正常情况，一个处理错误，还到处需要有try...catch，很快麻烦就会接踵而来了。如果不想面对这些麻烦，你可能就要去启用后台线程，这样又有了线程方面的问题。

    显然我们可以做的更好。首先让我们回到原来的同步代码，然后再用上我们为异步编程设计的新特性。

    如果要把QueryMovies变为异步，则先把它的返回值改为Task，你如果了解.NET 4则一定已经知道这个类型是任务并行库的一部分。事实上Task类型只是表示一个“开始计算并在未来返回结果”的任务，因此Task表示一个会在将来返回T类型的计算任务，在科学计算领域这通常被称为Future或是Promise。现在方法的返回值是Task，而最后返回的是Movie[]，这显然不匹配，但我们可以将其标记为一个async方法。对于async方法，编译器会重写整个方法实现来表示一个异步任务，以后我们会来观察它是如何实现这点的。[]>[]>

async Task QueryMoviesAsync(int year, int first, int count)
{
    var client = new WebClient();
    var url = String.Format(query, year, first, count);
    var data = client.DownloadString(new Uri(url));

    var movies =
        from entry in XDocument.Parse(data).Descendants(xs + "entry")
        let properties = entry.Element(xm + "properties")
        select new Movie
        {
            /* ... */
        };

    return movies.ToArray();
}[]>

    不过只做到这点还不够，我们的方法还没有异步化，这还是个同步任务。不过，如今在一个async方法中，我们有能力组合调用另一个async方法，并异步地等待。这里使用了一个扩展方法DownloadStringTaskAsync，以后也会包含在框架中。这个方法返回Task类型，表示未来某一时刻将会得到一个string对象。于是在async方法中，我们使用一个新的await操作符来等待其返回。

async Task QueryMoviesAsync(int year, int first, int count)
{
    var client = new WebClient();
    var url = String.Format(query, year, first, count);
    var data = await client.DownloadStringTaskAsync(new Uri(url));

    var movies =
        from entry in XDocument.Parse(data).Descendants(xs + "entry")
        let properties = entry.Element(xm + "properties")
        select new Movie
        {
            /* ... */
        };

    return movies.ToArray();
}[]>

    在执行时，方法会执行到await操作符这里，并确保接下来的代码是在一个回调函数/continuation中执行的。编译器会在这里重写这个方法，就像为yield重写迭代器那样，于是我们就不需要做其他事情了，任务结束后自然会执行await后面的代码。

    这里的美妙之处在于可以任意组合，对于LoadMovies方法来说，我们也可以将其转化为async方法，并await之前的QueryMoviesAsync方法返回。

async void LoadMoviesAsync(int year)
{
    resultsPanel.Children.Clear();
    statusText.Text = "";
    var pageSize = 10;
    var imageCount = 0;

    while (true)
    {
        var movies = await QueryMoviesAsync(year, imageCount, pageSize);
        if (movies.Length == 0) break;
        DisplayMovies(movies);
        imageCount += movies.Length;
    }

    statusText.Text = String.Format("{0} Titles", imageCount);
}

    于是异步实现就这么完成了，代码和之前几乎完全一致。您可以看出，这使得我们在执行异步代码时保留原本的逻辑实现。

    那么再为应用程序添加一点功能吧。首先是异常处理：

async void LoadMoviesAsync(int year)
{
    resultsPanel.Children.Clear();
    statusText.Text = "";
    var pageSize = 10;
    var imageCount = 0;

    try
    {
        while (true)
        {
            var movies = await QueryMoviesAsync(year, imageCount, pageSize);
            if (movies.Length == 0) break;
            DisplayMovies(movies);
            imageCount += movies.Length;
        }

        statusText.Text = String.Format("{0} Titles", imageCount);
    }
    catch (XmlException)
    {
        statusText.Text = "Data Error";
    }
}

    我们无需分离代码或是逻辑，这一切都和同步代码完全一致。再来看看“取消(cancellation)”，对于async方法来说，我们可以传递一个CancellationToken，表示任务需要监听这个对象的改变。如QueryMoviesAsync便可以增加一个参数：

async Task QueryMoviesAsync(int year, int first, int count, CancellationToken ct)
{
    var client = new WebClient();
    var url = String.Format(query, year, first, count);
    var data = await client.DownloadStringTaskAsync(new Uri(url), ct);

    var movies =
        from entry in XDocument.Parse(data).Descendants(xs + "entry")
        let properties = entry.Element(xm + "properties")
        select new Movie
        {
            /* ... */
        };

    return movies.ToArray();
}[]>

    这样便得到了一个可取消的async方法。对于逻辑流来说，取消操作就相当于一个异常，代码里需要处理一个TaskCanceledException：

CancellationTokenSource cts;

async void LoadMoviesAsync(int year)
{
    resultsPanel.Children.Clear();
    statusText.Text = "";
    var pageSize = 10;
    var imageCount = 0;

    cts = new CancellationTokenSource();
    try
    {
        while (true)
        {
            var movies = await QueryMoviesAsync(year, imageCount, pageSize, cts.Token);
            if (movies.Length == 0) break;
            DisplayMovies(movies);
            imageCount += movies.Length;
        }
        statusText.Text = String.Format("{0} Titles", imageCount);
    }
    catch (TaskCanceledException) { }

    cts = null;
}

private void cancelButton_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    if (cts != null)
    {
        cts.Cancel();
        statusText.Text = "Canceled";
    }
}

    那么超时又怎么说？超时其实就类似一段时间之后的取消。于是我们可以另写一个小方法来处理这个问题：

async void StartTimeoutAsync()
{
    await TaskEx.Delay(5000);
    if (cts != null)
    {
        cts.Cancel();
        statusText.Text = "Timeout";
    }
}

private void searchButton_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    LoadMoviesAsync(Int32.Parse(textBox.Text));
    StartTimeoutAsync();
}

    第一步，我们先等待5秒钟，如果任务还在执行，那么我们就取消掉。所以无论是超时，取消还是错误处理，程序的逻辑结构都得以最大限度的保留，就好比编写普通的代码一样。例如上面的Delay，看上去是顺序逻辑流，但实际上是异步的。为了表现出这点，我们可以为程序新加上一个有趣的功能：

async void ShowDateTimeAsync()
{
    while (true)
    {
        Title = "Movie Finder " + DateTime.Now;
        await TaskEx.Delay(1000);
    }
}

public MainWindow()
{
    InitializeComponent();
    textBox.Focus();
    ShowDateTimeAsync();
}

    于是在标题栏上便会每隔一秒刷新显示当前时间，与此同时搜索也好，超时也罢，在程序执行时UI都可以获得响应。

    值得强调的是，上面实现的这些功能都没有启用额外的线程，所有这些都在UI线程上执行。那么什么时候需要额外的线程呢？这便是计算密集型操作。例如这里我要执行五千万次平方根计算，这需要耗费一段时间。不过这样的操作，对于UI线程来说，这也不过是一个异步操作，不是吗？启动操作，然后等待其完成，在它完成之后再对结果做些处理：

async void ComputeStuffAsync()
{
    double result = 0;
    await TaskEx.Run(() =>
    {
        for (int i = 1; i < 500000000; i++)
        {
            result += Math.Sqrt(i);
        }
    });

    MessageBox.Show("The result is " + result, "Background Task",
        MessageBoxButton.OK, MessageBoxImage.Information);
}

private void searchButton_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    LoadMoviesAsync(Int32.Parse(textBox.Text));
    StartTimeoutAsync();
    ComputeStuffAsync();
}

    TaskEx.Run方法会构造一个后台线程，并返回异步操作，我们使用await等待其返回，这体现了绝佳的组合能力。启动后在任务管理器中便会发现CPU占用率明显上升。

    我在这里宣布，之前演示的技术预览版已经可以下载了。我们已经创建了C#和VB编译器的原型，并提供了一些示例。您可以在开发者中心下载，我在演讲最后会给出URL。

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