【从零开始的C# CancellationToken】：一步步实现自定义取消令牌

# 1. C# CancellationToken简介与基本用法

## 1.1 CancellationToken是什么？
CancellationToken是一种用于通知操作是否已被取消的机制。它通常用于异步编程中，以优雅地停止正在进行的工作。在.NET环境中，CancellationToken广泛应用于多线程和异步操作中，比如*** Core、Entity Framework Core等框架。

## 1.2 CancellationToken的主要用途
在多线程环境中，我们经常会遇到需要中断线程执行的场景。例如，在一个Web服务器上，当用户关闭浏览器时，服务器端的线程就应该停止响应。CancellationToken正好解决了这类问题，允许我们在不需要等待后台任务完成的情况下，立即中断线程的执行。

## 1.3 CancellationToken的基本用法
CancellationToken可以通过CancellationTokenSource生成，并在需要的时候传递给异步操作。以下是一个简单的示例代码：

CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
CancellationToken token = cts.Token;

async Task MyAsyncTask(CancellationToken token)
{
    while (!token.IsCancellationRequested)
    {
        // 执行任务
    }
    // 处理取消逻辑
}

// 在需要取消时
cts.Cancel();

在这个例子中，`CancellationTokenSource`对象用于产生一个令牌，该令牌传递给异步方法`MyAsyncTask`。当执行取消操作时，`CancellationTokenSource`的`Cancel`方法被调用，设置令牌状态为已取消，异步方法中可以通过检查`IsCancellationRequested`属性来响应取消请求。

CancellationToken的引入，大幅提高了.NET应用的可响应性和资源利用率，尤其是当涉及到大量的后台处理或网络请求时。在后续章节中，我们将深入探讨 CancellationToken 的源码分析、实践应用、高级用法以及它在未来应用中的发展趋势。

# 2. 深入 CancellationToken 源码分析

CancellationToken 是.NET框架中用于控制异步操作取消的一个重要组件。它提供了一种标准化的取消机制，允许开发者能够在多个线程、任务或异步操作中传递取消请求。深入理解其内部机制、生命周期管理以及高级特性，能够帮助开发者更高效地编写出健壮的异步代码。

## 2.1 CancellationToken 结构的内部机制

### 2.1.1 CancellationToken 的主要属性和方法

CancellationToken 是一个轻量级的结构体，它包含了几个关键的属性和方法，以便于操作和管理取消状态。

public struct CancellationToken
{
    private volatile int _CancellationRequested;
    // Other fields...

    public bool IsCancellationRequested
    {
        get { return _CancellationRequested != 0; }
    }

    public CancellationTokenSource CancellationTokenSource
    {
        get { return _CancellationTokenSource; }
    }

    // Other properties...

    public void ThrowIfCancellationRequested()
    {
        // Implementation...
    }

    // Other methods...
}

在上面的代码中，`_CancellationRequested` 是一个表示取消请求状态的字段。当这个字段为非零值时，`IsCancellationRequested` 属性会返回 true。开发者通常会检查这个属性来确定是否需要提前终止异步操作。`CancellationTokenSource` 属性允许访问与此 CancellationToken 关联的 CancellationTokenSource，提供了一种机制来追踪和管理 CancellationToken 的来源。

### 2.1.2 CancellationTokenSource 的关键功能

CancellationTokenSource 是 CancellationToken 的主要提供者和管理器，它提供了用于注册取消回调、触发取消以及判断取消状态的方法。

public class CancellationTokenSource : IDisposable
{
    private volatile CancellationToken _token;
    // Other fields...

    public CancellationToken Token
    {
        get { return _token; }
    }

    public void Cancel()
    {
        // Implementation...
    }

    public void CancelAfter(TimeSpan delay)
    {
        // Implementation...
    }

    public void Dispose()
    {
        // Implementation...
    }

    // Other methods...
}

在上述代码中，`Token` 属性返回一个 CancellationToken 实例，使得用户能够在调用取消操作时得到一个令牌。`Cancel` 方法用于立即触发取消操作，而 `CancelAfter` 方法则用于在指定延迟之后自动触发取消。

## 2.2 CancellationToken 生命周期管理

### 2.2.1 注册与注销回调机制

CancellationToken 支持注册回调函数，这些函数会在取消令牌被触发时执行。开发者可以利用这个机制来执行清理或释放资源的操作。

var cts = new CancellationTokenSource();
cts.Token.Register(() =>
{
    Console.WriteLine("Operation was cancelled");
});

// Some asynchronous operation...

cts.Cancel(); // This will cause the callback to be executed.

在上面的代码示例中，我们创建了一个 CancellationTokenSource 实例，并注册了一个回调。如果后续调用了 `Cancel` 方法，注册的回调将会被执行。

### 2.2.2 CancellationToken 的状态流转

CancellationToken 具有一个简单的状态流转逻辑，其状态从初始的未请求（`IsCancellationRequested` 为 false）变为已请求（`IsCancellationRequested` 为 true）。状态的流转是单向且不可逆的。

graph TD;
    A[初始化] --> B[待取消];
    B --> C[取消中];
    C --> D[已取消];

状态的每一次变化都伴随着 CancellationToken 源码内部机制的一系列操作，确保了取消请求的正确传递和处理。

## 2.3 CancellationToken 源码高级特性解读

### 2.3.1 源码中的并发控制和异常处理

CancellationToken 源码中使用了诸如 CAS (Compare-And-Swap) 操作来处理并发控制问题，确保状态的更改是原子性的。

private static int VolatileRead(ref int address)
{
    return Volatile.Read(ref address);
}

private bool CAS(int comparand, int value)
{
    ***pareExchange(ref _CancellationRequested, value, comparand) == comparand;
}

在异常处理方面，源码通过 `Try` 模式确保即使在取消过程中发生异常，整个取消流程也不会受到影响，异常会被记录但不会阻止其他订阅者继续执行。

### 2.3.2 源码中的取消操作的原子性分析

取消操作的原子性是通过确保状态的更改在逻辑上是一致的，没有其他线程能够在此操作中间插入其他逻辑来破坏这一状态。

public void Cancel()
{
    if (!CAS(0, CancellationState.CancelRequested))
        return;

    // Invoke callbacks...

    // Signal to other threads...
}

上述代码展示了 Cancel 方法的原子操作逻辑，`CAS` 方法确保了从设置状态到执行回调的整个过程要么全部完成，要么都不执行。这种原子性的保障对于实现线程安全的取消机制至关重要。

# 3. CancellationToken 实践应用

在深入理解 CancellationToken 的基础之后，我们自然会转向如何在实际开发中应用 CancellationToken。本章节将着重介绍在不同场景下 CancellationToken 的应用，包括同步与异步任务的取消操作，以及在不同框架中的集成方法。同时，我们也会探讨自定义 CancellationTokenSource 扩展的实践。

## 3.1 任务取消操作的实现与示例

在处理长时间运行的任务时，适时地取消任务是非常重要的功能。使用 CancellationToken 可以优雅地取消这些任务，而不影响应用程序的其他部分。

### 3.1.1 同步任务的取消实践

在同步任务中，我们可以使用 CancellationToken 的 `ThrowIfCancellationRequested` 方法来抛出 `OperationCanceledException`，从而取消任务。以下是一个同步任务取消的简单示例：

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
        CancellationToken token = cts.Token;
        try
        {
            // 模拟长时间运行的任务
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                if (token.IsCancellationRequested)
                {
                    token.ThrowIfCancellationRequested();
                }
                Console.WriteLine(i);
                Thread.Sleep(100); // 模拟耗时操作
            }
        }
        catch (OperationCanceledException)
        {
            Console.WriteLine("任务被取消");
        }

        Console.WriteLine("任务完成");
    }
}

在上述代码中，我们创建了一个 `CancellationTokenSource` 实例，并从中获取了 `CancellationToken`。在循环中，我们检查 `token.IsCancellationRequested` 属性，以确定是否收到了取消请求。如果已收到请求，我们将调用 `token.ThrowIfCancellationRequested()` 来抛出异常，这将中断任务的执行。

### 3.1.2 异步任务的取消实践

异步任务的取消则更为常见和重要，我们可以结合 `async` 和 `await` 关键字来实现这一点：

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static async Task Main(string[] args)
    {
        CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
        CancellationToken token = cts.Token;
        try
        {
            // 异步任务
            await DoWorkAsync(token);
        }
        catch (OperationCanceledException)
        {
            Console.WriteLine("异步任务被取消");
        }
    }

    static async Task DoWorkAsync(CancellationToken token)
    {
        for (int i = 0; i < 100; i++)
        {
            if (token.IsCancellationRequested)
            {
                throw new OperationCanceledException(token);
            }
            Console.WriteLine(i);
            await Task.Delay(100, token); // 模拟耗时操作
        }
    }
}

在上述代码中，`DoWorkAsync` 方法通过检查 `token.IsCancellationRequested` 属性来判断是否需要取消异步操作。如果需要取消，