一文看懂C#异步编程Async/Await的作用
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2021-10-30 15:38
考虑到直接讲实现一个类Task库思维有点跳跃,所以本节主要讲解Async/Await的本质作用（解决了什么问题），以及Async/Await的工作原理。实现一个类Task的库则放在后面讲。
class Program
{
public static string GetMessage()
{
return Console.ReadLine();
}
public static string TranslateMessage(string msg)
{
return msg;
}
public static void DispatherMessage(string msg)
{
switch (msg)
{
case "MOUSE_MOVE":
{
OnMOUSE_MOVE(msg);
break;
}
case "MOUSE_DOWN":
{
OnMouse_DOWN(msg);
break;
}
default:
break;
}
}
public static void OnMOUSE_MOVE(string msg)
{
Console.WriteLine("开始绘制鼠标形状");
}
public static int Http()
{
Thread.Sleep(1000);//模拟网络IO延时
return 1;
}
public static void HttpAsync(Action<int> action,Action error)
{
//这里我们用另一个线程来实现异步IO，由于Http方法内部是通过Sleep来模拟网络IO延时的，这里也只能通过另一个线程来实现异步IO
//但记住，多线程是实现异步IO的一个手段而已，它不是必须的，后面会讲到如何通过一个线程来实现异步IO。
Thread thread = new Thread(() =>
{
try
{
int res = Http();
action(res);
}
catch
{
error();
}
});
thread.Start();
}
public static Task<int> HttpAsync()
{
return Task.Run(() =>
{
return Http();
});
}
public static void OnMouse_DOWN(string msg)
{
HttpAsync()
.ContinueWith(t =>
{
if(t.Status == TaskStatus.Faulted)
{
}else if(t.Status == TaskStatus.RanToCompletion)
{
Console.WriteLine(1);
//做一些工作
}
})
.ContinueWith(t =>
{
if (t.Status == TaskStatus.Faulted)
{
}
else if (t.Status == TaskStatus.RanToCompletion)
{
Console.WriteLine(2);
//做一些工作
}
})
.ContinueWith(t =>
{
if (t.Status == TaskStatus.Faulted)
{
}
else if (t.Status == TaskStatus.RanToCompletion)
{
Console.WriteLine(3);
//做一些工作
}
});
}
static void Main(string[] args)
{
while (true)
{
string msg = GetMessage();
if (msg == "quit") return;
string m = TranslateMessage(msg);
DispatherMessage(m);
}
}
}
在OnMouse_DOWN这个处理函数中，我们使用Task的ContinueWith函数进行链式操作，解决了回调地狱问题，但是总感觉有点那么不爽，我们假想有个关键字await它能实现以下作用：首先await必须是Task类型，必须是Task类型的（其实不是必要条件，后面会讲到）原因是保证必须有ContinueWith这个函数，如果Task没有返回值，则把await后面的代码放到Task中的ContinueWith函数体内，如果有返回值，则把Await后的结果转化为访问Task.Result属性，文字说的可能不明白，看下示例代码
//无返回值转换前
public async void Example()
{
Task t = Task.Run(() =>
{
Thread.Sleep(1000);
});
await t;
//做一些工作
}
//无返回值转换后
public void Example()
{
Task t = Task.Run(() =>
{
Thread.Sleep(1000);
});
t.ContinueWith(task =>
{
//做一些工作
});
}
//有返回值转换前
public async void Example()
{
Task<int> t = Task.Run<int>(() =>
{
Thread.Sleep(1000);
return 1;
});
int res = await t;
//使用res做一些工作
}
//有返回值转换后
public void Example()
{
Task<int> t = Task.Run<int>(() =>
{
Thread.Sleep(1000);
return 1;
});
t.ContinueWith(task =>
{
//使用task.Result做一些工作
});
}
看起来不错，但至少有以下问题，如下：
该种转换方法不能很好的转换Try/Catch结构 在循环结构中使用await不好转换 该实现与Task类型紧密联系
一二点是我自己认为的，但第三点是可以从扩展async/await这点被证明的。但无论怎样，async/await只是对方法按照一定的规则进行了变换而已，它并没有什么特别之处，具体来讲，就是把Await后面要执行的代码放到一个类似ContinueWith的函数中，在C#中，它是以状态机的形式表现的，每个状态都对应一部分代码，状态机有一个MoveNext()方法，MoveNext()根据不同的状态执行不同的代码，然后每个状态部分对应的代码都会设置下一个状态字段，然后把自身的MoveNext()方法放到类似ContinueWith()的函数中去执行，整个状态机由回调函数推动。我们尝试手动转换以下async/await方法。
public static Task WorkAsync()
{
return Task.Run(() =>
{
Thread.Sleep(1000);
Console.WriteLine("Done!");
});
}
public static async void Test()
{
Console.WriteLine("步骤1");
await WorkAsync();
Console.WriteLine("步骤2");
await WorkAsync();
Console.WriteLine("步骤3");
}
手动写一个简单的状态机类
public class TestAsyncStateMachine
{
public int _state = 0;
public void Start() => MoveNext();
public void MoveNext()
{
switch(_state)
{
case 0:
{
goto Step0;
}
case 1:
{
goto Step1;
}
default:
{
Console.WriteLine("步骤3");
return;
}
}
Step0:
{
Console.WriteLine("步骤1");
_state = 1;
WorkAsync().ContinueWith(t => this.MoveNext());
return;
}
Step1:
{
_state = -1;
Console.WriteLine("步骤2");
WorkAsync().ContinueWith(t => this.MoveNext());
return;
}
}
}
而Test()方法则变成了这样
public static void Test()
{
new TestAsyncStateMachine().Start();
}
注意Test()方法返回的是void，这意味这调用方将不能await Test()。如果返回Task，这个状态机类是不能正确处理的，如果要正确处理，那么状态机在Start()启动后，必须返回一个Task，而这个Task在整个状态机流转完毕后要变成完成状态，以便调用方在该Task上调用的ContinueWith得以继续执行，而就Task这个类而言，它是没有提供这种方法来主动控制Task的状态的，这个与JS中的Promise不同，JS里面用Reslove函数来主动控制Promise的状态，并导致在该Promise上面的Then链式调用得以继续完成，而在C#里面怎么做呢？既然使用了状态机来实现async/await，那么在转换一个返回Task的函数时肯定会遇到，怎么处理？后面讲。
首先解决一下与Task类型紧密联系这个问题。
从状态机中可以看到，主要使用到了Task中的ContinueWith这个函数，它的语义是在任务完成后，执行回调函数，通过回调函数拿到结果，这个编程风格也叫做CPS（Continuation-Passing-Style, 续体传递风格），那么我们能不能把这个函数给抽象出来呢？语言开发者当然想到了，它被抽象成了一个Awaiter因此编译器要求await的类型必须要有GetAwaiter方法，什么样的类型才是Awaiter呢？编译器规定主要实现了如下几个方法的类型就是Awaiter:
必须继承INotifyCompletion接口，并实现其中的OnCompleted(Action continuation)方法 必须包含IsCompleted属性 必须包含GetResult()方法
第一点好理解，第二点的作用是热路径优化，第三点以后讲。我们再改造一下我们手动写的状态机。
public class TestAsyncStateMachine
{
public int _state = 0;
public void Start() => MoveNext();
public void MoveNext()
{
switch(_state)
{
case 0:
{
goto Step0;
}
case 1:
{
goto Step1;
}
default:
{
Console.WriteLine("步骤3");
return;
}
}
Step0:
{
Console.WriteLine("步骤1");
_state = 1;
TaskAwaiter taskAwaiter;
taskAwaiter = WorkAsync().GetAwaiter();
if (taskAwaiter.IsCompleted) goto Step1;
taskAwaiter.OnCompleted(() => this.MoveNext());
return;
}
Step1:
{
_state = -1;
Console.WriteLine("步骤2");
TaskAwaiter taskAwaiter;
taskAwaiter = WorkAsync().GetAwaiter();
if (taskAwaiter.IsCompleted) MoveNext();
taskAwaiter.OnCompleted(() => this.MoveNext());
return;
}
}
}
可以看到去掉了与Task中ContinueWith的耦合关系，并且如果任务已经完成，则可以直接执行下个任务，避免了无用的开销。 因此我们可以总结一下async/await：
async/await只是表示这个方法需要编译器进行特殊处理，并不代表它本身一定是异步的。 Task类中的GetAwaiter主要是给编译器用的。
//该类型包含GetAwaiter方法，且GetAwaiter()返回的类型包含三个必要条件
public class MyAwaiter : INotifyCompletion
{
public void OnCompleted(Action continuation)
{
continuation();
}
public bool IsCompleted { get; }
public void GetResult()
{
}
public MyAwaiter GetAwaiter() => new MyAwaiter();
}
一个测试函数，注意必须返回void
public static async void AwaiterTest()
{
await new MyAwaiter();
Console.WriteLine("Done");
}
可以看到这是完全同步进行的。
转自：白烟染黑墨
链接：cnblogs.com/hkfyf/p/14641844.html
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