探索c#之Async、Await剖析 - 蘑菇先生 - 博客园

Excerpt
Async，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。

net4.5的async，抛去语法糖就是Net4.0的Task+状态机。
net4.0的Task，退化到3.5即是(Thread、Th

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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。

1
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3

HttpWebRequest myReq =(HttpWebRequest)WebRequest.Create(<span>"</span><span>http://cnblogs.com/</span><span>"</span><span>);
 myReq.BeginGetRequestStream();
 </span><span>//</span><span>to do</span>

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

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

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：

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3

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

Async方式:

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

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：

<span>static</span> <span>async</span> <span>void</span><span> Async3()
    {
        </span><span>var</span> task= <span>await</span> Task.Run(() =&gt; { Thread.Sleep(<span>500</span>); Console.WriteLine(<span>"</span><span>bbb</span><span>"</span><span>); });
       </span><span>//</span><span>注册task完成后回调</span>
        task.RegisterCompletedCallBack(() =&gt;<span>
        {
            Console.WriteLine(</span><span>"</span><span>ccc</span><span>"</span><span>);
        });
    }</span>

上面看其来就比较好理解些的，再把Async3方法想象Async4方法：

<span>static</span>  <span>void</span><span> Async4()
    {
        </span><span>var</span> thread = <span>new</span> Thread(() =&gt;<span>
         {
             Thread.Sleep(</span><span>500</span><span>);
             Console.WriteLine(</span><span>"</span><span>bbb</span><span>"</span><span>);
         });
        </span><span>//</span><span>注册thread完成后回调</span>
        thread.RegisterCompletedCallBack(() =&gt;<span>
        {
            Console.WriteLine(</span><span>"</span><span>ccc</span><span>"</span><span>);
        });
        thread.Start();
    }</span>

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：

View Code

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：

<span>public</span> <span>interface</span><span> IAsyncStateMachine
{
    </span><span>void</span><span> MoveNext();
    </span><span>void</span><span> SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine);
}</span>

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

1	Program.CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1 = <span>new</span> 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。

1	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。

//返回调用async2方法的线程，让其继续执行主线程后面的逻辑

1 2	<span>this</span>.<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted<TaskAwaiter, Program.<Async2>d__2>(<span>ref</span> awaiter, <span>ref</span> <span>this</span><span>); </span><span>return</span>;

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。

<span>Label_0090: 
awaiter.GetResult(); 
awaiter </span>= <span>new</span><span> TaskAwaiter();
Console.WriteLine(</span><span>"</span><span>ccc</span><span>"</span>);

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。

<span>        Test();
        Console.WriteLine(</span><span>"</span><span>A逻辑</span><span>"</span><span>);
        </span><span>static</span> <span>async</span> <span>void</span><span> Test()
        {
            </span><span>await</span> Task.Run(() =&gt; { Thread.Sleep(<span>1000</span>); Console.WriteLine(<span>"</span><span>B逻辑</span><span>"</span><span>); });
            Console.WriteLine(</span><span>"</span><span>C逻辑</span><span>"</span><span>); 
        }</span>

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。

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

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。