PDC 2010：C#与Visual Basic的未来（上）
2010-10-31 02:43 by 老赵, 9795 visits
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（Compiler 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<Movie[]> 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<Movie[]> 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<Movie[]>，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<T>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<Movie[]>，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<Movie[]> 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<string>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<Movie[]> 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<Movie[]> 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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我还以为已经可以这么用了呢…… 打开VS后发现还不行 =。=