c#之Async、Await剖析
探索c#之Async、Await剖析
2015-06-15 08:35 by 蘑菇先生, 1429 阅读, 5 评论, 收藏, 编辑
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基本介绍
Async、Await是net4.x新增的异步编程方式，其目的是为了简化异步程序编写，和之前APM方式简单对比如下。
APM方式，BeginGetRequestStream需要传入回调函数，线程碰到BeginXXX时会以非阻塞形式继续执行下面逻辑，完成后回调先前传入的函数。
HttpWebRequest myReq =(HttpWebRequest)WebRequest.Create("http://cnblogs.com/");
myReq.BeginGetRequestStream();
//to do
Async方式，使用Async标记Async1为异步方法，用Await标记GetRequestStreamAsync表示方法内需要耗时的操作。主线程碰到await时会立即返回，继续以非阻塞形式执行主线程下面的逻辑。当await耗时操作完成时，继续执行Async1下面的逻辑
static async void Async1()
{
HttpWebRequest myReq = (HttpWebRequest)WebRequest.Create("http://cnblogs.com/");
await myReq.GetRequestStreamAsync();
//to do
}
上面是net类库实现的异步，如果要实现自己方法异步。
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");
对比下来发现，async/await是非常简洁优美的，需要写的代码量更少，更符合人们编写习惯。
因为人的思维对线性步骤比较好理解的。
APM异步回调的执行步骤是：A逻辑->假C回调逻辑->B逻辑->真C回调逻辑，这会在一定程度造成思维的混乱，当一个项目中出现大量的异步回调时，就会变的难以维护。
Async、Await的加入让原先这种混乱的步骤，重新拨正了，执行步骤是：A逻辑->B逻辑->C逻辑。
基本原理剖析
作为一个程序员的自我修养，刨根问底的好奇心是非常重要的。 Async刚出来时会让人有一头雾水的感觉，await怎么就直接返回了，微软怎么又出一套新的异步模型。那是因为习惯了之前的APM非线性方式导致的，现在重归线性步骤反而不好理解。 学习Async时候，可以利用已有的APM方式去理解，以下代码纯属虚构。
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"); });
//注册task完成后回调
task.RegisterCompletedCallBack(() =>
{
Console.WriteLine("ccc");
});
}
上面看其来就比较好理解些的，再把Async3方法想象Async4方法：
static void Async4()
{
var thread = new Thread(() =>
{
Thread.Sleep(500);
Console.WriteLine("bbb");
});
//注册thread完成后回调
thread.RegisterCompletedCallBack(() =>
{
Console.WriteLine("ccc");
});
thread.Start();
}
这样看起来就非常简单明了，连async都去掉了，变成之前熟悉的编程习惯。虽然代码纯属虚构，但基本思想是相通的，差别在于实现细节上面。
内部实现剖析
作为一个程序员的自我修养，严谨更是不可少的态度。上面的基本思想虽然好理解了，但具体细节呢，编程是个来不得半点虚假的工作，那虚构的代码完全对不住看官们啊。
继续看Async2方法，反编译后的完整代码如下：
internal class Program
{
// Methods
[AsyncStateMachine(typeof(<Async2>d__2)), DebuggerStepThrough]
private static void Async2()
{
<Async2>d__2 d__;
d__.<>t__builder = AsyncVoidMethodBuilder.Create();
d__.<>1__state = -1;
d__.<>t__builder.Start<<Async2>d__2>(ref d__);
} private static void Main(string[] args)
{
Async2();
Console.WriteLine("aaa");
Console.ReadLine();
} // Nested Types
[CompilerGenerated]
private struct <Async2>d__2 : IAsyncStateMachine
{
// Fields
public int <>1__state;
public AsyncVoidMethodBuilder <>t__builder;
private object <>t__stack;
private TaskAwaiter <>u__$awaiter3; // Methods
private void MoveNext()
{
try
{
TaskAwaiter awaiter;
bool flag = true;
switch (this.<>1__state)
{
case -3:
goto Label_00C5; case 0:
break; default:
if (Program.CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1 == null)
{
Program.CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1 = new Action(Program.<Async2>b__0);
}
awaiter = Task.Run(Program.CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1).GetAwaiter();
if (awaiter.IsCompleted)
{
goto Label_0090;
}
this.<>1__state = 0;
this.<>u__$awaiter3 = awaiter;
this.<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted<TaskAwaiter, Program.<Async2>d__2>(ref awaiter, ref this);
flag = false;
return;
}
awaiter = this.<>u__$awaiter3;
this.<>u__$awaiter3 = new TaskAwaiter();
this.<>1__state = -1;
Label_0090:
awaiter.GetResult();
awaiter = new TaskAwaiter();
Console.WriteLine("ccc");
}
catch (Exception exception)
{
this.<>1__state = -2;
this.<>t__builder.SetException(exception);
return;
}
Label_00C5:
this.<>1__state = -2;
this.<>t__builder.SetResult();
} [DebuggerHidden]
private void SetStateMachine(IAsyncStateMachine param0)
{
this.<>t__builder.SetStateMachine(param0);
}
} public delegate int MyDelegate(int x);
} Collapse Methods
发现async、await不见了，原来又是编译器级别提供的语法糖优化，所以说async不算是全新的异步模型。 可以理解为async更多的是线性执行步骤的一种回归，专门用来简化异步代码编写。
从反编译后的代码看出编译器新生成一个继承IAsyncStateMachine 的状态机结构asyncd（代码中叫<Async2>d__2，后面简写AsyncD)，下面是基于反编译后的代码来分析的。
IAsyncStateMachine最基本的状态机接口定义：
public interface IAsyncStateMachine
{
void MoveNext();
void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine);
}
既然没有了async、await语法糖的阻碍，就可以把代码执行流程按线性顺序来理解，其整个执行步骤如下：
1. 主线程调用Async2()方法
2. Async2()方法内初始化状态机状态为-1，启动AsyncD
3. MoveNext方法内部开始执行，其task.run函数是把任务扔到线程池里，返回个可等待的任务句柄。MoveNext源码剖析：
//要执行任务的委托
Program.CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1 = new Action(Program.<Async2>b__0);
//开始使用task做异步，是net4.0基于任务task的编程方式。
awaiter =Task.Run(Program.CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1).GetAwaiter();
//设置状态为0，以便再次MoveNext直接break，执行switch后面的逻辑，典型的状态机模式。
this.<>1__state = 0;
//返回调用async2方法的线程，让其继续执行主线程后面的逻辑
this.<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted<TaskAwaiter, Program.<Async2>d__2>(ref awaiter, ref this);
return;
4. 这时就已经有2个线程在跑了，分别是主线程和Task.Run在跑的任务线程。
5. 执行主线程后面逻辑输出aaa，任务线程运行完成后输出bbb、在继续执行任务线程后面的业务逻辑输出ccc。
Label_0090:
awaiter.GetResult();
awaiter = new TaskAwaiter();
Console.WriteLine("ccc");
这里可以理解为async把整个主线程同步逻辑，分拆成二块。 第一块是在主线程直接执行，第二块是在任务线程完成后执行， 二块中间是任务线程在跑，其源码中awaiter.GetResult()就是在等待任务线程完成后去执行第二块。
从使用者角度来看执行步骤即为： 主线程A逻辑->异步任务线程B逻辑->主线程C逻辑。
Test();
Console.WriteLine("A逻辑");
static async void Test()
{
await Task.Run(() => { Thread.Sleep(1000); Console.WriteLine("B逻辑"); });
Console.WriteLine("C逻辑");
}
回过头来对比下基本原理剖析小节中的虚构方法Async4()，发现区别在于一个是完成后回调，一个是等待完成后再执行，这也是实现异步最基本的两大类方式。
重点注意的地方
主线程A逻辑->异步任务线程B逻辑->主线程C逻辑。
注意：这3个步骤是有可能会使用同一个线程的，也可能会使用2个，甚至3个线程。 可以用Thread.CurrentThread.ManagedThreadId测试下得知。
Async7();
Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
static async void Async7()
{
await Task.Run(() =>
{
Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
});
Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}
正由于此，才会有言论说Async不用开线程，也有说需要开线程的，从单一方面来讲都是对的，也都是错的。 上面源码是从简分析的，具体async内部会涉及到线程上下文切换，线程复用、调度等。 想深入的同学可以研究下ExecutionContextSwitcher、 SecurityContext.RestoreCurrentWI、ExecutionContext这几个东东。
其实具体的物理线程细节可以不用太关心，知道其【主线程A逻辑->异步任务线程B逻辑->主线程C逻辑】这个基本原理即可。 另外Async也会有线程开销的，所以要合理分业务场景去使用。
总结
从逐渐剖析Async中发现，Net提供的异步方式基本上一脉相承的,如：
1. net4.5的Async，抛去语法糖就是Net4.0的Task+状态机。
2. net4.0的Task， 退化到3.5即是(Thread、ThreadPool)+实现的等待、取消等API操作。
本文以async为起点，简单剖析了其内部原理及实现，希望对大家有所帮助。