Parallelität und asynchrone Vorgänge mit C++/WinRT

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Wichtig

In diesem Thema werden die Konzepte der Coroutinen und co_await vorgestellt, die Sie sowohl in Ihren UI- als auch in Ihren Nicht-UI-Anwendungen verwenden sollten. Der Einfachheit halber zeigen die meisten Codebeispiele in diesem Einführungsthema Projekte der Windows-Konsolenanwendung (C++/WinRT) . Die späteren Codebeispiele in diesem Thema verwenden zwar Coroutinen, aber der Einfachheit halber verwenden die Konsolenanwendungsbeispiele auch weiterhin den blockierenden get-Funktionsaufruf kurz vor dem Beenden, sodass die Anwendung nicht beendet wird, bevor der Druck der Ausgabe abgeschlossen ist. Dies (die blockierende get-Funktion aufrufen) werden Sie nicht von einem UI-Thread aus tun. Stattdessen verwenden Sie die co_await-Anweisung. Die Techniken, die Sie in Ihren UI-Anwendungen verwenden, werden im Thema Erweiterte Parallelität und Asynchronie beschrieben.

In diesem Einführungsthema werden einige der Möglichkeiten beschrieben, wie Sie asynchrone Windows-Runtime-Objekte mit C++/WinRT erstellen und nutzen können. Lesen Sie nach der Lektüre dieses Themas insbesondere für Techniken, die Sie in Ihren UI-Anwendungen verwenden, auch Erweiterte Parallelität und Asynchronie.

Asynchrone Vorgänge und „Async“-Funktionen der Windows-Runtime

Jede Windows-Runtime-API, deren Ausführung länger als 50 Millisekunden dauern kann, wird als asynchrone Funktion implementiert (mit einem Namen, der auf „Async” endet). Die Implementierung einer asynchronen Funktion initiiert die Arbeit in einem anderen Thread und gibt sofort ein Objekt zurück, das den asynchronen Vorgang darstellt. Wenn der asynchrone Vorgang abgeschlossen ist, enthält das zurückgegebene Objekt einen aus seiner Ausführung resultierenden Wert. Der Windows-Runtime-Namespace Windows::Foundation enthält vier Objekttypen für asynchrone Vorgänge.

Jeder dieser asynchronen Vorgangstypen wird auf einen entsprechenden Typ im C++/WinRT-Namespace winrt::Windows::Foundation projiziert. C++/WinRT enthält außerdem eine interne Await-Adapter-Struktur. Sie verwenden diese Struktur nicht direkt, können dank ihr aber eine co_await-Anweisung schreiben, um kooperativ auf das Ergebnis einer Funktion zu warten, die einen dieser asynchronen Vorgangstypen zurückgibt. Zudem können Sie eigene Coroutinen schreiben, die diese Typen zurückgeben.

Ein Beispiel für eine asynchrone Windows-Funktion ist SyndicationClient::RetrieveFeedAsync. Diese Funktion gibt ein asynchrones Vorgangsobjekt vom Typ IAsyncOperationWithProgress<TResult, TProgress> zurück.

Sehen wir uns einige Möglichkeiten an (zuerst blockierende und dann nicht blockierende), wie Sie eine solche API mit C++/WinRT aufrufen können. Nur zur Veranschaulichung der Grundgedanken werden wir in den nächsten Codebeispielen ein Projekt der Windowskonsolenanwendung (C++/WinRT) verwenden. Techniken, die für eine UI-Anwendung besser geeignet sind, werden unter Erweiterte Parallelität und Asynchronie behandelt.

Blockieren des aufrufenden Threads

Das folgende Codebeispiel empfängt ein asynchrones Vorgangsobjekt von RetrieveFeedAsync und ruft get für dieses Objekt auf, um den aufrufenden Thread zu blockieren, bis die Ergebnisse des asynchronen Vorgangs vorliegen.

Wenn Sie dieses Beispiel kopieren und direkt in die Hauptquellcodedatei eines Projekts vom Typ Windows-Konsolenanwendung (C++/WinRT) einfügen möchten, legen Sie zuerst in den Projekteigenschaften die Option Vorkompilierte Header nicht verwenden fest.

// main.cpp
#include <winrt/Windows.Foundation.h>
#include <winrt/Windows.Web.Syndication.h>

using namespace winrt;
using namespace Windows::Foundation;
using namespace Windows::Web::Syndication;

void ProcessFeed()
{
    Uri rssFeedUri{ L"https://blogs.windows.com/feed" };
    SyndicationClient syndicationClient;
    SyndicationFeed syndicationFeed{ syndicationClient.RetrieveFeedAsync(rssFeedUri).get() };
    // use syndicationFeed.
}

int main()
{
    winrt::init_apartment();
    ProcessFeed();
}

Der Aufruf von get lässt sich einfach codieren und eignet sich perfekt für Konsolen-Apps oder Hintergrundthreads, in denen Sie möglicherweise keine Coroutine verwenden möchten. Dieser Aufruf ist jedoch weder parallel noch asynchron und eignet sich daher nicht für einen UI-Thread (dort wird durch den Aufruf außerdem eine Assertion in nicht optimierten Builds ausgelöst). Um zu verhindern, dass Betriebssystemthreads blockiert werden und keine anderen nützlichen Aufgaben ausführen können, benötigen wir eine andere Technik.

Schreiben einer Coroutine

C++/WinRT integriert C++ Coroutinen in das Programmiermodell, um eine natürliche Möglichkeit zu bieten, kooperativ auf ein Ergebnis zu warten. Sie können eigene asynchrone Windows-Runtime-Vorgänge erstellen, indem Sie eine Coroutine schreiben. Im folgenden Codebeispiel ist ProcessFeedAsync die Coroutine.

Hinweis

Die get-Funktion ist im C++/WinRT-Projektionstyp Winrt::Windows::Foundation::IAsyncAction enthalten, sodass Sie die Funktion in jedem C++/WinRT-Projekt aufrufen können. Die Funktion ist nicht als Member der IAsyncAction-Schnittstelle aufgeführt, da get nicht Teil der Oberfläche der binären Anwendungsschnittstelle (Application Binary Interface, ABI) des eigentlichen Windows-Runtime-Typs IAsyncAction ist.

// main.cpp
#include <iostream>
#include <winrt/Windows.Foundation.Collections.h>
#include <winrt/Windows.Web.Syndication.h>

using namespace winrt;
using namespace Windows::Foundation;
using namespace Windows::Web::Syndication;

void PrintFeed(SyndicationFeed const& syndicationFeed)
{
    for (SyndicationItem const& syndicationItem : syndicationFeed.Items())
    {
        std::wcout << syndicationItem.Title().Text().c_str() << std::endl;
    }
}

IAsyncAction ProcessFeedAsync()
{
    Uri rssFeedUri{ L"https://blogs.windows.com/feed" };
    SyndicationClient syndicationClient;
    SyndicationFeed syndicationFeed{ co_await syndicationClient.RetrieveFeedAsync(rssFeedUri) };
    PrintFeed(syndicationFeed);
}

int main()
{
    winrt::init_apartment();

    auto processOp{ ProcessFeedAsync() };
    // do other work while the feed is being printed.
    processOp.get(); // no more work to do; call get() so that we see the printout before the application exits.
}

Eine Coroutine ist eine Funktion, die angehalten und fortgesetzt werden kann. Wenn die co_await-Anweisung in der obigen ProcessFeedAsync-Coroutine erreicht wird, initiiert die Coroutine asynchron den RetrieveFeedAsync-Aufruf. Anschließend hält sie sich sofort selbst an und gibt die Steuerung an den Aufrufer zurück (im obigen Beispiel main). main kann dann weiter ausgeführt werden, während der Feed abgerufen und ausgegeben wird. Danach (wenn der RetrieveFeedAsync-Aufruf abgeschlossen ist) wird die ProcessFeedAsync-Coroutine bei der nächsten Anweisung fortgesetzt.

Sie können eine Coroutine in anderen Coroutinen zusammenfassen. Alternativ können Sie zum Blockieren get aufrufen und auf ihren Abschluss warten (und, sofern vorhanden, das Ergebnis abrufen). Sie können sie auch an eine andere Programmiersprache übergeben, die die Windows-Runtime unterstützt.

Es ist auch möglich, die Completed- und/oder Progress-Ereignisse von asynchronen Aktionen und Vorgängen mit Delegaten zu verarbeiten. Details und Codebeispiele finden Sie unter Delegattypen für asynchrone Aktionen und Vorgänge.

Wie Sie sehen können, verwenden wir im obigen Codebeispiel weiterhin den blockierenden get-Funktionsaufruf kurz vor dem Beenden des main-Abschnitts. Aber nur, damit die Anwendung nicht beendet wird, bevor der Druck der Ausgabe abgeschlossen ist.

Asynchrone Rückgabe eines Windows-Runtime-Typs

Im nächsten Beispiel verpacken wir einen Aufruf von RetrieveFeedAsync für einen bestimmten URI, um eine RetrieveBlogFeedAsync-Funktion zu erhalten, die asynchron einen SyndicationFeed zurückgibt.

// main.cpp
#include <iostream>
#include <winrt/Windows.Foundation.Collections.h>
#include <winrt/Windows.Web.Syndication.h>

using namespace winrt;
using namespace Windows::Foundation;
using namespace Windows::Web::Syndication;

void PrintFeed(SyndicationFeed const& syndicationFeed)
{
    for (SyndicationItem const& syndicationItem : syndicationFeed.Items())
    {
        std::wcout << syndicationItem.Title().Text().c_str() << std::endl;
    }
}

IAsyncOperationWithProgress<SyndicationFeed, RetrievalProgress> RetrieveBlogFeedAsync()
{
    Uri rssFeedUri{ L"https://blogs.windows.com/feed" };
    SyndicationClient syndicationClient;
    return syndicationClient.RetrieveFeedAsync(rssFeedUri);
}

int main()
{
    winrt::init_apartment();

    auto feedOp{ RetrieveBlogFeedAsync() };
    // do other work.
    PrintFeed(feedOp.get());
}

Im obigen Beispiel gibt RetrieveBlogFeedAsync einen IAsyncOperationWithProgress zurück, der sowohl einen Status- als auch einen Rückgabewert enthält. Wir können andere Aufgaben durchführen, während RetrieveBlogFeedAsync den Feed abruft. Anschließend rufen wir zum Blockieren get für dieses asynchrone Vorgangsobjekt auf, warten auf seinen Abschluss und rufen dann die Ergebnisse des Vorgangs ab.

Wenn Sie einen Windows-Runtime-Typ asynchron zurückgeben, sollten Sie einen IAsyncOperation<TResult> oder IAsyncOperationWithProgress<TResult, TProgress> zurückgeben. Qualifiziert sind alle Erst- oder Drittanbieter-Runtime-Klassen oder Typen, die an oder von eine(r) Windows-Runtime-Funktion übergeben werden können (z. B. int oder winrt::hstring). Der Compiler weist Sie mit einer Fehlermeldung darauf hin, dass T ein WinRT-Typ sein muss aus, wenn Sie versuchen, einen dieser asynchronen Vorgangstypen mit einem Nicht-Windows-Runtime-Typ zu verwenden.

Wenn eine Coroutine nicht mindestens eine co_await-Anweisung enthält, muss sie mindestens eine co_return- oder co_yield-Anweisung enthalten, um sich als Coroutine zu qualifizieren. Es gibt Fälle, in denen Ihre Coroutine einen Wert zurückgeben kann, ohne Asynchronität zu verursachen, d. h. ohne den Kontext zu blockieren oder zu wechseln. Hier sehen Sie ein Beispiel, bei dem zu diesem Zweck (beim zweiten oder bei einem nachfolgenden Aufruf) ein Wert zwischengespeichert wird.

winrt::hstring m_cache;

IAsyncOperation<winrt::hstring> ReadAsync()
{
    if (m_cache.empty())
    {
        // Asynchronously download and cache the string.
    }
    co_return m_cache;
}

Asynchrone Rückgabe eines Nicht-Windows-Runtime-Typs

Wenn Sie asynchron einen Typ zurückgeben, der kein Windows-Runtime-Typ ist, sollten Sie einen concurrency::task-PPL-Typ (Parallel Patterns Library) zurückgeben. Wir empfehlen die Verwendung von concurrency::task, weil dieser Typ eine bessere Leistung (und später eine bessere Kompatibilität) bietet als std::future.

Tipp

Wenn Sie <pplawait.h> einschließen, können Sie concurrency::task als Coroutinentyp verwenden.

// main.cpp
#include <iostream>
#include <ppltasks.h>
#include <winrt/Windows.Foundation.Collections.h>
#include <winrt/Windows.Web.Syndication.h>

using namespace winrt;
using namespace Windows::Foundation;
using namespace Windows::Web::Syndication;

concurrency::task<std::wstring> RetrieveFirstTitleAsync()
{
    return concurrency::create_task([]
        {
            Uri rssFeedUri{ L"https://blogs.windows.com/feed" };
            SyndicationClient syndicationClient;
            SyndicationFeed syndicationFeed{ syndicationClient.RetrieveFeedAsync(rssFeedUri).get() };
            return std::wstring{ syndicationFeed.Items().GetAt(0).Title().Text() };
        });
}

int main()
{
    winrt::init_apartment();

    auto firstTitleOp{ RetrieveFirstTitleAsync() };
    // Do other work here.
    std::wcout << firstTitleOp.get() << std::endl;
}

Parameterübergabe

Für synchrone Funktionen sollten Sie standardmäßig const&-Parameter verwenden. Dadurch wird der Mehraufwand für Kopien vermieden (einschließlich Verweiszählung, die zu miteinander verbundenen Erhöhungen und Verringerungen führt).

// Synchronous function.
void DoWork(Param const& value);

Es können jedoch Probleme auftreten, wenn Sie einen Verweisparameter an eine Coroutine übergeben.

// NOT the recommended way to pass a value to a coroutine!
IASyncAction DoWorkAsync(Param const& value)
{
    // While it's ok to access value here...

    co_await DoOtherWorkAsync(); // (this is the first suspension point)...

    // ...accessing value here carries no guarantees of safety.
}

In einer Coroutine verläuft die Ausführung synchron bis zum ersten Anhaltepunkt – an diesem wird die Steuerung an den Aufrufer zurückgegeben, und der aufrufende Frame fällt aus dem Gültigkeitsbereich heraus. Bis die Coroutine fortgesetzt wird, kann alles Mögliche mit dem Quellwert passiert sein, auf den ein Verweisparameter verweist. Aus Sicht der Coroutine hat ein Verweisparameter eine unkontrollierte Lebensdauer. Im obigen Beispiel können wir also bis zur co_await-Anweisung problemlos auf value zugreifen, aber nicht danach. Falls dieser value vom Aufrufer zerstört wird, verursacht der anschließende Versuch, in der Coroutine darauf zuzugreifen, eine Beschädigung des Speichers. Wir können value nicht sicher an DoOtherWorkAsync übergeben, wenn das Risiko besteht, dass diese Funktion dadurch angehalten wird und nach dem Fortsetzen versucht, value zu verwenden.

Damit die Parameter nach dem Anhalten und Fortsetzen ohne Probleme verwendet werden können, sollten Ihre Coroutinen standardmäßig als Wert zu übergebende Parameter verwenden. Dadurch stellen Sie sicher, dass die Erfassung nach Wert erfolgt und keine Probleme mit der Lebensdauer auftreten. Die Fälle, in denen Sie sicher sind, dass keine Probleme auftreten, und Sie daher von dieser Vorgehensweise abweichen können, sind eher selten.

// Coroutine
IASyncAction DoWorkAsync(Param value); // not const&

Die Übergabe nach Wert erfordert, dass das Argument einfach zu verschieben oder zu kopieren ist, und dies ist in der Regel bei intelligenten Zeigern der Fall.

Es ist auch fraglich, ob die Übergabe nach Konstantenwert empfehlenswert ist (es sei denn, Sie möchten den Wert verschieben). Diese Vorgehensweise hat keine Auswirkungen auf den Quellwert, von dem Sie eine Kopie erstellen, macht aber die Absicht klar und hilft Ihnen, wenn Sie die Kopie versehentlich ändern.

// coroutine with strictly unnecessary const (but arguably good practice).
IASyncAction DoWorkAsync(Param const value);

Unter Standard-Arrays und -Vektoren erfahren Sie, wie Sie einen Standardvektor an einen asynchronen Aufgerufenen übergeben.

Wenn die Signatur der Coroutine nicht geändert werden kann, die Implementierung jedoch geändert werden kann, können Sie vor dem ersten co_await eine lokale Kopie erstellen.

IASyncAction DoWorkAsync(Param const& value)
{
    auto safe_value = value;
    // It's ok to access both safe_value and value here.

    co_await DoOtherWorkAsync();

    // It's ok to access only safe_value here (not value).
}

Wenn das Kopieren von Param zu aufwendig ist, extrahieren Sie einfach die erforderlichen Teile vor dem ersten co_await.

IASyncAction DoWorkAsync(Param const& value)
{
    auto safe_data = value.data;
    // It's ok to access safe_data, value.data, and value here.

    co_await DoOtherWorkAsync();

    // It's ok to access only safe_data here (not value.data, nor value).
}

Sicherer Zugriff auf den this-Zeiger in einer Klassenmember-Coroutine

Siehe Starke und schwache Verweise in C++/WinRT.

Wichtige APIs