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探索c#之Async、Await剖析

編輯：C#入門知識

探索c#之Async、Await剖析

基本介紹 Async、Await是net4.x新增的異步編程方式，其目的是為了簡化異步程序編寫，和之前APM方式簡單對比如下。 APM方式，BeginGetRequestStream需要傳入回調函數，線程碰到BeginXXX時會以非阻塞形式繼續執行下面邏輯，完成後回調先前傳入的函數。 HttpWebRequest myReq =(HttpWebRequest)WebRequest.Create("http://cnblogs.com/"); myReq.BeginGetRequestStream(); //to do Async方式，使用Async標記Async1為異步方法，用Await標記GetRequestStreamAsync表示方法內需要耗時的操作。主線程碰到await時會立即返回，繼續以非阻塞形式執行主線程下面的邏輯。當await耗時操作完成時，繼續執行Async1下面的邏輯

static async void Async1()
    {
        HttpWebRequest myReq = (HttpWebRequest)WebRequest.Create("http://cnblogs.com/");
        await myReq.GetRequestStreamAsync();
        //to do
    }

上面是net類庫實現的異步，如果要實現自己方法異步。 APM方式：

    public delegate int MyDelegate(int x);   
        MyDelegate mathDel = new MyDelegate((a) => { return 1; });
         mathDel.BeginInvoke(1, (a) => { },null);

Async方式:

static async void Async2()
    {
        await Task.Run(() => { Thread.Sleep(500); Console.WriteLine("bbb"); });
        Console.WriteLine("ccc");
    }
  Async2();
  Console.WriteLine("aaa");

對比下來發現，async/await是非常簡潔優美的，需要寫的代碼量更少，更符合人們編寫習慣。因為人的思維對線性步驟比較好理解的。 APM異步回調的執行步驟是：A邏輯->假C回調邏輯->B邏輯->真C回調邏輯，這會在一定程度造成思維的混亂，當一個項目中出現大量的異步回調時，就會變的難以維護。 Async、Await的加入讓原先這種混亂的步驟，重新撥正了，執行步驟是：A邏輯->B邏輯->C邏輯。基本原理剖析作為一個程序員的自我修養，刨根問底的好奇心是非常重要的。 Async剛出來時會讓人有一頭霧水的感覺，await怎麼就直接返回了，微軟怎麼又出一套新的異步模型。那是因為習慣了之前的APM非線性方式導致的，現在重歸線性步驟反而不好理解。學習Async時候，可以利用已有的 APM方式去理解，以下代碼純屬虛構。比如把Async2方法想象APM方式的Async3方法：

static async void Async3()
    {
        var task= await Task.Run(() => { Thread.Sleep(500); Console.WriteLine("bbb"); });
       //注冊task完成後回調
        task.RegisterCompletedCallBack(() =>
        {
            Console.WriteLine("ccc");
        });
    }

上面看其來就比較好理解些的，再把Async3方法想象Async4方法：

static  void Async4()
    {
        var thread = new Thread(() =>
         {
             Thread.Sleep(500);
             Console.WriteLine("bbb");
         });
        //注冊thread完成後回調
        thread.RegisterCompletedCallBack(() =>
        {
            Console.WriteLine("ccc");
        });
        thread.Start();
    }

這樣看起來就非常簡單明了，連async都去掉了，變成之前熟悉的編程習慣。雖然代碼純屬虛構，但基本思想是相通的，差別在於實現細節上面。內部實現剖析作為一個程序員的自我修養，嚴謹更是不可少的態度。上面的基本思想雖然好理解了，但具體細節呢，編程是個來不得半點虛假的工作，那虛構的代碼完全對不住看官們啊。繼續看Async2方法，反編譯後的完整代碼如下： View Code 發現async、await不見了，原來又是編譯器級別提供的語法糖優化，所以說async不算是全新的異步模型。可以理解為async更多的是線性執行步驟的一種回歸，專門用來簡化異步代碼編寫。從反編譯後的代碼看出編譯器新生成一個繼承IAsyncStateMachine 的狀態機結構asyncd（代碼中叫<Async2>d__2，後面簡寫AsyncD)，下面是基於反編譯後的代碼來分析的。 IAsyncStateMachine最基本的狀態機接口定義：

public interface IAsyncStateMachine
{
    void MoveNext();
    void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine);
}

既然沒有了async、await語法糖的阻礙，就可以把代碼執行流程按線性順序來理解，其整個執行步驟如下： 1. 主線程調用Async2()方法 2. Async2()方法內初始化狀態機狀態為-1，啟動AsyncD 3. MoveNext方法內部開始執行，其task.run函數是把任務扔到線程池裡，返回個可等待的任務句柄。MoveNext源碼剖析： //要執行任務的委托 Program.CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1 = new Action(Program.<Async2>b__0); //開始使用task做異步，是net4.0基於任務task的編程方式。 awaiter =Task.Run(Program.CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1).GetAwaiter(); //設置狀態為0，以便再次MoveNext直接break，執行switch後面的邏輯，典型的狀態機模式。 this.<>1__state = 0; //返回調用async2方法的線程，讓其繼續執行主線程後面的邏輯 this.<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted<TaskAwaiter, Program.<Async2>d__2>(ref awaiter, ref this); return; 4. 這時就已經有2個線程在跑了，分別是主線程和Task.Run在跑的任務線程。 5. 執行主線程後面邏輯輸出aaa，任務線程運行完成後輸出bbb、在繼續執行任務線程後面的業務邏輯輸出ccc。

Label_0090: 
awaiter.GetResult(); 
awaiter = new TaskAwaiter();
Console.WriteLine("ccc");

這裡可以理解為async把整個主線程同步邏輯，分拆成二塊。第一塊是在主線程直接執行，第二塊是在任務線程完成後執行，二塊中間是任務線程在跑，其源碼中awaiter.GetResult()就是在等待任務線程完成後去執行第二塊。從使用者角度來看執行步驟即為：主線程A邏輯->異步任務線程B邏輯->主線程C邏輯。

       Test();
        Console.WriteLine("A邏輯");
        static async void Test()
        {
            await Task.Run(() => { Thread.Sleep(1000); Console.WriteLine("B邏輯"); });
            Console.WriteLine("C邏輯"); 
        }

回過頭來對比下基本原理剖析小節中的虛構方法Async4()，發現區別在於一個是完成後回調，一個是等待完成後再執行，這也是實現異步最基本的兩大類方式。重點注意的地方主線程A邏輯->異步任務線程B邏輯->主線程C邏輯。注意：這3個步驟是有可能會使用同一個線程的，也可能會使用2個，甚至3個線程。可以用Thread.CurrentThread.ManagedThreadId測試下得知。

     Async7();
     Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); 
    static async void Async7()
    {
        await Task.Run(() =>
        {
            Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); 
        });
        Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); 
    }

正由於此，才會有言論說Async不用開線程，也有說需要開線程的，從單一方面來講都是對的，也都是錯的。上面源碼是從簡分析的，具體 async內部會涉及到線程上下文切換，線程復用、調度等。想深入的同學可以研究下ExecutionContextSwitcher、 SecurityContext.RestoreCurrentWI、ExecutionContext這幾個東東。其實具體的物理線程細節可以不用太關心，知道其【主線程A邏輯->異步任務線程B邏輯->主線程C邏輯】這個基本原理即可。另外Async也會有線程開銷的，所以要合理分業務場景去使用。總結從逐漸剖析Async中發現，Net提供的異步方式基本上一脈相承的,如： 1. net4.5的Async，拋去語法糖就是Net4.0的Task+狀態機。 2. net4.0的Task，退化到3.5即是(Thread、ThreadPool)+實現的等待、取消等API操作。本文以async為起點，簡單剖析了其內部原理及實現，希望對大家有所幫助。