C#异步编程由浅入深(二)Async/Await的作用.

时间:2021-11-07 02:16:17

  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。首先回顾一下上篇博客的场景。

 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。

  第一点我们可以用以下例子来证明,有兴趣的朋友可以自己去验证以下,以便加深理解。

//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。

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