Simultaneidade e operações assíncronas com C++/WinRT

Este tópico introdutório mostra algumas das maneiras como você pode criar e consumir objetos assíncronos do Windows Runtime com C++/WinRT. Após ler esse tópico, principalmente para as técnicas que você usará nos seus aplicativos de interface do usuário, confira também Simultaneidade e assincronia avançadas.

Operações assíncronas e funções "Async" do Windows Runtime

Qualquer API do Windows Runtime que tem o potencial de demorar mais de 50 milissegundos para concluir é implementada como uma função assíncrona (com um nome terminado em "Async"). A implementação de uma função assíncrona inicia o trabalho em outro thread e é retornada imediatamente com um objeto que representa a operação assíncrona. Quando a operação assíncrona for concluída, aquele objeto retornado contém qualquer valor que resultou do trabalho. O namespace do Windows Runtime Windows::Foundation contém quatro tipos de objeto de operação assíncrona.

• IAsyncAction,
• IAsyncActionWithProgress<TProgress>,
• IAsyncOperation<TResult> e
• IAsyncOperationWithProgress<TResult, TProgress>.

Cada um desses tipos de operação assíncrona é projetado para um tipo correspondente no namespace C++/WinRT do winrt::Windows::Foundation. C++/WinRT também contém um struct de adaptador de espera interno. Você não o usa diretamente, mas, graças a esse struct, é possível escrever uma instrução co_await para aguardar de maneira cooperativa o resultado de qualquer função que retorne um desses tipos de operação assíncrona. Você pode criar suas próprias rotinas concomitantes que retornam esses tipos.

Um exemplo de uma função do Windows assíncrona é SyndicationClient::RetrieveFeedAsync, que retorna um objeto de operação assíncrono do tipo IAsyncOperationWithProgress<TResult, TProgress>.

Vejamos algumas maneiras – primeiro bloquear, depois desbloquear – de usar o C++/WinRT para chamar uma API assim. Apenas para ilustrar as ideias básicas, usaremos um projeto de Aplicativo de Console do Windows (C++/WinRT) nos próximos exemplos de código. Técnicas mais adequadas para um aplicativo de interface do usuário são discutidas em Simultaneidade e assincronia avançadas.

Bloquear a conversa de chamada

O exemplo de código abaixo recebe um objeto de operação assíncrona do RetrieveFeedAsync e chama get nesse objeto para bloquear o thread de chamada até os resultados da operação assíncrona estarem disponíveis.

Se você quiser copiar e colar esse exemplo diretamente no arquivo de código-fonte principal de um projeto de Aplicativo de Console do Windows (C++/WinRT) , primeiro defina Não usando cabeçalhos pré-compilados nas Propriedades do projeto.

// 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();
}

Chamar get é conveniente para a codificação e é ideal para aplicativos de console ou threads de segundo plano nos quais você não deseja usar uma corrotina. Mas ele não é simultâneo nem assíncrono, portanto, não é adequado para um thread de interface do usuário (e uma declaração será acionada em builds não otimizados caso tente usá-lo em um build desse tipo). Para evitar que threads do sistema operacional sejam impedidos de realizar outros trabalhos úteis, precisamos de uma técnica diferente.

Escrever uma corrotina

C++/WinRT integra corrotinas de C++ no modelo de programação para fornecer uma maneira natural de esperar cooperativamente por um resultado. Você pode produzir sua própria operação assíncrona do Windows Runtime criando uma corrotina. No exemplo de código abaixo, ProcessFeedAsync é a corrotina.

// 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.
}

Um corrotina é uma função que pode ser suspensa e retomada. Na corrotina ProcessFeedAsync acima, quando a instrução co_await é alcançada, a corrotina inicia assincronamente a chamada de RetrieveFeedAsync e, em seguida, ela imediatamente se suspende e retorna o controle de volta ao autor da chamada (que é main no exemplo acima). main pode então continuar a trabalhar enquanto o feed está sendo recuperado e impresso. Quando isso é feito (quando a chamada de RetrieveFeedAsync é concluída), a corrotina de ProcessFeedAsync é retomada na próxima instrução.

Você pode agregar uma corrotina em outras. Ou você pode chamar get para bloquear e aguardar a conclusão (e obter o resultado, se houver algum). Ou você pode passá-la para outra linguagem de programação compatível com o Windows Runtime.

Pelo uso de delegados, também é possível manipular os eventos de progresso e/ou concluídos de ações assíncronas e operações. Para obter detalhes e exemplos de código, consulte Tipos de delegado para ações assíncronas e operações.

Como você pode ver, no exemplo de código acima, continuamos usando a chamada de função get de bloqueio imediatamente antes do main de saída. Mas isso é apenas para que o aplicativo não saia antes de concluir a impressão da saída.

O modo assíncrono retorna um tipo do Windows Runtime

Neste exemplo, nós encapsulamos uma chamada para RetrieveFeedAsync, para um URI específico, para nos dar uma função RetrieveBlogFeedAsync que retorna de forma assíncrona um SyndicationFeed.

// 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());
}

No exemplo acima, RetrieveBlogFeedAsync retorna um IAsyncOperationWithProgress, que tem progresso e valor retornado. Podemos realizar outros trabalhos enquanto RetrieveBlogFeedAsync está fazendo sua parte e recuperando o feed. Em seguida, chamamos get nesse objeto de operação assíncrona para bloquear, aguardamos sua conclusão e, em seguida, obtemos os resultados da operação.

Se estiver retornando assincronamente um tipo Windows Runtime, será possível retornar um IAsyncOperation<TResult> ou IAsyncOperationWithProgress<TResult, TProgress>. Qualquer classe de tempo de execução primária ou de terceiros está qualificada, ou qualquer tipo que possa ser passado de ou para uma função do Windows Runtime (por exemplo, int ou winrt::hstring). O compilador ajudará você indicando o erro "T precisa ser do tipo WinRT" se você tentar usar um desses tipos de operação assíncrona com um tipo que não seja do Windows Runtime.

Se uma corrotina não tiver então pelo menos uma declaração co_await, para se qualificar como corrotina, ela precisará ter pelo menos uma declaração co_return ou co_yield. Há casos em que a corrotina pode retornar um valor sem apresentar nenhuma assincronia e, portanto, sem bloquear nem alternar o contexto. Aqui está um exemplo que faz isso (a segunda vez e as vezes subsequentes em que é chamado) armazenando um valor em cache.

winrt::hstring m_cache;

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

O modo assíncrono não retorna um tipo do Windows Runtime

Se estiver retornando assincronamente um tipo que não é um tipo do Windows Runtime, você deverá retornar uma PPL (biblioteca de padrões paralelos) concurrency::task. Recomendamos concurrency::task porque ela oferece melhor desempenho (e melhor compatibilidade no futuro) que std::future.

// 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;
}

Passagem de parâmetro

Para funções síncronas, você deve usar os parâmetros const& por padrão. Isso evitará a sobrecarga de cópias (o que envolve a contagem de referências, que por sua vez, significa aumentos e reduções interconectados).

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

Mas você pode ter problemas ao passar um parâmetro de referência para uma corrotina.

// 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.
}

Em uma corrotina, a execução é síncrona até o primeiro ponto de suspensão, no qual o controle é retornado para o autor da chamada e o quadro de chamada sai do escopo. Quando a corrotina é retomada, qualquer coisa pode ter acontecido com o valor de origem que faz referência a um parâmetro de referência. Da perspectiva da corrotina, um parâmetro de referência tem um tempo de vida não controlado. Por isso, no exemplo acima, podemos acessar o valor até o co_await, mas não depois. Caso o valor seja destruído pelo chamador, tentar acessá-lo dentro da corrotina depois disso resultará em uma corrupção de memória. Nem poderemos passar com segurança o valor para DoOtherWorkAsync se houver qualquer risco de que a função seja suspensa e, em seguida, tente usar o valor após ser retomada.

Para tornar os parâmetros seguros para uso após a suspensão e retomada, as corrotinas devem usar passagem por valor por padrão a fim de assegurar que elas capturem pelo valor e evitar problemas de tempo de vida. São raros os casos em que é possível ignorar essa diretriz tendo certeza de que é seguro fazê-lo.

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

A passagem por valor exige que a movimentação ou cópia do argumento tenha baixo custo; e esse normalmente é o caso de um ponteiro inteligente.

Também é possível afirmar que (exceto quando você quiser mover o valor) passar pelo valor const é uma boa prática. Isso não afeta o valor de origem do qual você está fazendo uma cópia, mas torna a intenção clara e ajuda caso você modifique a cópia inadvertidamente.

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

Consulte também Matrizes e vetores padrão, que aborda como passar um vetor padrão para um computador chamado assíncrono.

Se não puder alterar a assinatura de sua corrotina, mas puder alterar a implementação, você poderá fazer uma cópia local antes do primeiro co_await.

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).
}

Se for caro copiar Param, basta extrair apenas as partes necessárias antes do primeiro 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).
}

Acessar com segurança o ponteiro this em uma corrotina de membro de classe

Confira Referências fortes e fracas em C++/WinRT.

APIs importantes

• concurrency::task class
• Interface IAsyncAction
• Interface IAsyncActionWithProgress<TProgress>
• Interface IAsyncOperation<TResult>
• Interface IAsyncOperationWithProgress<TResult, TProgress>
• Método SyndicationClient::RetrieveFeedAsync
• Classe SyndicationFeed

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