C#异步编程笔记

0x00 异步编程模式的历史

.NET Framework 提供了执行异步操做的三种模式：

• 异步编程模型 (APM) 模式（即 IAsyncResult 模式），在该模式下，异步操做须要使用 Begin 和 End 方法（例如，异步写入操做须要使用 BeginWrite 和 EndWrite 方法） 不建议新的开发使用此模式。 有关详细信息，请参阅异步编程模型 (APM)。

• 基于事件的异步模式 (EAP)，这种模式须要 Async 后缀，也须要一个或多个事件、事件处理程序委托类型和 EventArg 派生类型。 EAP 是在 .NET Framework 2.0 中引入的。 不建议新的开发使用这种模式。 有关详细信息，请参阅基于事件的异步模式 (EAP)。

• 基于任务的异步模式 (TAP)，该模式使用单一方法表示异步操做的开始和完成。 TAP 是在 .NET Framework 4 中引入的，而且它是在 .NET Framework 中进行异步编程的推荐使用方法。 C# 中的 async 和 await 关键词以及 Visual Basic 语言中的 Async 和 Await 运算符为 TAP 添加了语言支持。 有关详细信息，请参阅基于任务的异步模式 (TAP)。

如今主要使用TAP来编程。

 

0x01 Task和 Task<T>

任务是用于实现称之为并发 Promise 模型的构造。 简单地说，它们“承诺”，会在稍后完成工做，让你使用干净的 API 与 promise 协做。

• Task 表示不返回值的单个操做。
• Task<T> 表示返回 T 类型的值的单个操做。

请务必将任务理解为工做的异步抽象，而非在线程之上的抽象。 默认状况下，任务在当前线程上执行，且在适当时会将工做委托给操做系统。 可选择性地经过 Task.Run API 显式请求任务在独立线程上运行。

任务会公开一个 API 协议来监视、等候和访问任务的结果值（如 Task<T>）。 含有 await关键字的语言集成可提供高级别抽象来使用任务。

任务运行时，使用 await 在任务完成前将控制让步于其调用方，可以让应用程序和服务执行有用工做。 任务完成后代码无需依靠回调或事件即可继续执行。 语言和任务 API 集成会为你完成此操做。 若是正在使用 Task<T>，任务完成时，await 关键字还将“打开”返回的值。下面进一步详细介绍了此工做原理。

0x02 针对 I/O 的操做的Task

如下部分介绍了使用典型异步 I/O 调用时会出现的各类状况。 咱们先看两个例子。

第一个示例调用异步方法，并返回活动任务，极可能还没有完成。

C#复制

public Task<string> GetHtmlAsync() { // Execution is synchronous here var client = new HttpClient(); return client.GetStringAsync("http://www.dotnetfoundation.org"); } 

第二个示例还使用了 async 和 await 关键字对任务进行操做。

C#复制

public async Task<string> GetFirstCharactersCountAsync(string url, int count) { // Execution is synchronous here var client = new HttpClient(); // Execution of GetFirstCharactersCountAsync() is yielded to the caller here // GetStringAsync returns a Task<string>, which is *awaited* var page = await client.GetStringAsync("http://www.dotnetfoundation.org"); // Execution resumes when the client.GetStringAsync task completes, // becoming synchronous again. if (count > page.Length) { return page; } else { return page.Substring(0, count); } } 

对 GetStringAsync() 的调用经过低级别 .NET 库进行（多是调用其余异步方法），直到其到达 P/Invoke 互操做调用，进入本机网络库。 本机库随后可能会调入系统 API 调用（例如 Linux 上套接字的 write()）。 可能会使用 TaskCompletionSource 在本机/托管边界建立一个任务对象。 将经过层向上传递任务对象，对其进行操做或直接返回，最后返回到初始调用方。

在上述的第二个示例中，Task<T> 对象将直接从 GetStringAsync 返回。 因为使用了 await 关键字，所以该方法会返回一个新建的任务对象。 控制会从 GetFirstCharactersCountAsync 方法中的该位置返回到调用方。 Task<T> 对象的方法和属性确保调用方监视任务进度，当执行完 GetFirstCharactersCountAsync 中剩余的代码时，任务便完成。

调用系统 API 后，请求位于内核空间，一路来到操做系统的网络子系统（例如 Linux 内核中的 /net）。 此处操做系统将对网络请求进行异步处理。 所用操做系统不一样，细节可能有所不一样（可能会将设备驱动程序调用安排为发送回运行时的信号，或者会执行设备驱动程序调用而后有一个信号发送回来），但最终都会通知运行时网络请求正在进行中。 此时，设备驱动程序工做处于已计划、正在进行或是已完成（请求已“经过网络”发出），但因为这些均为异步进行，设备驱动程序可当即着手处理其余事项！

例如，在 Windows 中操做系统线程调用网络设备驱动程序并要求它经过表示操做的中断请求数据包 (IRP) 执行网络操做。 设备驱动程序接收 IRP，调用网络，将 IRP 标记为“待定”，并返回到操做系统。 因为如今操做系统线程了解到 IRP 为“待定”，所以无需再为此做业进行进一步操做，将其“返回”，这样它就可用于完成其余工做。

请求完成且数据经过设备驱动程序返回后，会经由中断通知 CPU 新接收到的数据。 处理中断的方式因操做系统不一样而有所不一样，但最终都会经过操做系统将数据传递到系统互操做调用（例如，Linux 中的中断处理程序将安排 IRQ 的下半部分经过操做系统异步向上传递数据）。 请注意这还是异步进行的！ 在下一个可用线程能执行异步方法且“打开”已完成任务的结果前，结果会排队等候。

在整个过程当中，关键点在于没有线程专用于运行任务。 尽管须要在一些上下文中执行工做（即，操做系统确实必须将数据传递到设备驱动程序并响应中断），但没有专用于等待数据从请求返回的线程。 这让系统能处理更多的工做而不是等待某些 I/O 调用结束。

这对服务器方案而言意味着什么？

此模型可很好地处理典型的服务器方案工做负荷。 因为没有专用于阻止未完成任务的线程，服务器线程池可服务更多的 Web 请求。相比服务器将线程专用于接收到的每一个请求，使用 async 和 await 可以使服务器多处理一个数量级的请求。

这对客户端方案而言意味着什么？

使用 async 和 await 对客户端应用带来的最大好处在于提升了响应能力。 尽管能够手动生成线程让应用响应，但相比仅使用 async 和 await，生成线程的操做更加昂贵。 特别是对于手机游戏等应用而言，在涉及 I/O 时尽量少地影响 UI 线程，这点相当重要。

更重要的是，因为绑定 I/O 的工做在 CPU 上几乎没有耗时，因此将整个 CPU 线程专用于执行几乎没有任何做用的工做将是一种资源浪费。

此外，使用 async 方法将工做调度到 UI 线程（例如，更新 UI）十分简单，且无需额外的工做（例如调用线程安全的委托）。

 

0x03 针对 CPU 的操做的Task

绑定 CPU 的 async 代码与绑定 I/O 的 async 代码有些许不一样。 因为工做在 CPU 上执行，没法解决线程专用于计算的问题。 async 和 await 的运用使得能够与后台线程交互并让异步方法调用方可响应。 请注意这不会为共享数据提供任何保护。 若是正在使用共享数据，仍须要采用合适的同步策略。

这里详细介绍了绑定 CPU 的异步调用的方方面面：

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public async Task<int> CalculateResult(InputData data) { // This queues up the work on the threadpool. var expensiveResultTask = Task.Run(() => DoExpensiveCalculation(data)); // Note that at this point, you can do some other work concurrently, // as CalculateResult() is still executing! // Execution of CalculateResult is yielded here! var result = await expensiveResultTask; return result; } 

CalculateResult() 在调用它的线程上执行。 调用 Task.Run 时，它会在线程池上对昂贵的绑定 CPU 的操做 DoExpensiveCalculation() 进行排队，并收到一个 Task<int> 句柄。DoExpensiveCalculation() 最终在下一个可用线程上并行运行（极可能在另外一个 CPU 内核上）。 当 DoExpensiveCalculation() 在另外一线程处理任务时，因为调用 CalculateResult() 的线程仍在执行，这时可能会出现并行工做的状况。

一旦遇到 await，CalculateResult() 执行会让步于调用方，在 DoExpensiveCalculation() 执行运算的同时，容许其余任务在当前线程执行。DoExpensiveCalculation() 完成后，结果会在主线程上排队等待运行。 最后，主线程将返回执行获得 DoExpensiveCalculation() 结果的 CalculateResult()。

异步为何在此处会起做用？

async 和 await 是在须要可响应性时管理绑定 CPU 的工做的最佳实践。 存在多个可将异步用于绑定 CPU 的工做的模式。 请务必注意，使用异步成本有少量费用，不推荐紧凑循环使用它。 如何编写此新功能的代码彻底取决于你。

 

0x04 异步方法的运行机制

异步编程中最需弄清的是控制流是如何从方法移动到方法的。 下图可引导你完成该过程。

关系图中的数值对应于如下步骤。

1. 事件处理程序调用并等待 AccessTheWebAsync 异步方法。

2. AccessTheWebAsync 可建立 HttpClient 实例并调用 GetStringAsync 异步方法如下载网站内容做为字符串。

3. GetStringAsync 中发生了某种状况，该状况挂起了它的进程。 可能必须等待网站下载或一些其余阻止活动。 为避免阻止资源，GetStringAsync 会将控制权出让给其调用方 AccessTheWebAsync。

   GetStringAsync 返回 Task<TResult>，其中 TResult 为字符串，而且 AccessTheWebAsync 将任务分配给 getStringTask 变量。 该任务表示调用 GetStringAsync 的正在进行的进程，其中承诺当工做完成时产生实际字符串值。

4. 因为还没有等待 getStringTask，所以，AccessTheWebAsync 能够继续执行不依赖于 GetStringAsync 得出的最终结果的其余工做。 该任务由对同步方法 DoIndependentWork 的调用表示。

5. DoIndependentWork 是完成其工做并返回其调用方的同步方法。

6. AccessTheWebAsync 已用完工做，能够不受 getStringTask 的结果影响。 接下来，AccessTheWebAsync 须要计算并返回该下载字符串的长度，但该方法仅在具备字符串时才能计算该值。

   所以，AccessTheWebAsync 使用一个 await 运算符来挂起其进度，并把控制权交给调用 AccessTheWebAsync 的方法。 AccessTheWebAsync 将 Task<int> 返回给调用方。 该任务表示对产生下载字符串长度的整数结果的一个承诺。

   备注

   若是 GetStringAsync（所以 getStringTask）在 AccessTheWebAsync 等待前完成，则控制会保留在 AccessTheWebAsync 中。 若是异步调用过程 (getStringTask) 已完成，而且 AccessTheWebSync 没必要等待最终结果，则挂起而后返回到 AccessTheWebAsync 将形成成本浪费。

   在调用方内部（此示例中的事件处理程序），处理模式将继续。 在等待结果前，调用方能够开展不依赖于 AccessTheWebAsync 结果的其余工做，不然就需等待片刻。 事件处理程序等待 AccessTheWebAsync，而 AccessTheWebAsync 等待 GetStringAsync。

7. GetStringAsync 完成并生成一个字符串结果。 字符串结果不是经过按你预期的方式调用 GetStringAsync 所返回的。 （记住，该方法已返回步骤 3 中的一个任务）。相反，字符串结果存储在表示 getStringTask 方法完成的任务中。 await 运算符从 getStringTask 中检索结果。 赋值语句将检索到的结果赋给 urlContents。

8. 当 AccessTheWebAsync 具备字符串结果时，该方法能够计算字符串长度。 而后，AccessTheWebAsync 工做也将完成，而且等待事件处理程序可继续使用。 在此主题结尾处的完整示例中，可确认事件处理程序检索并打印长度结果的值。
   若是你不熟悉异步编程，请花 1 分钟时间考虑同步行为和异步行为之间的差别。 当其工做完成时（第 5 步）会返回一个同步方法，但当其工做挂起时（第 3 步和第 6 步），异步方法会返回一个任务值。 在异步方法最终完成其工做时，任务会标记为已完成，而结果（若是有）将存储在任务中。

 

0x05 命名约定

按照约定，将“Async”追加到包含 async 修饰符的方法的名称中。

若是某一约定中的事件、基类或接口协定建议其余名称，则能够忽略此约定。 例如，你不该重命名经常使用事件处理程序，例如 Button1_Click。