C# async/await异步编程深入理解

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异步函数简介

一般指 async 修饰符声明得、可包含await表达式得方法或匿名函数。

声明方式

异步方法的声明语法与其他方法完全一样, 只是需要包含 async 关键字。async可以出现在返回值之前的任何位置, 如下示例:

async public static void GetInfoAsync()
{
//...
} public async static void GetInfoAsync()
{
//...
} public static async void GetInfoAsync()
{
//...
}

异步方法的返回类型

异步函数的返回类型只能为: void、Task、Task<TResult>。

Task<TResult>: 代表一个返回值T类型的操作。

Task: 代表一个无返回值的操作。

void: 为了和传统的事件处理程序兼容而设计。

await(等待)

await等待的是什么? 可以是一个异步操作(Task)、亦或者是具备返回值的异步操作(Task<TResult>)的值, 如下:

public async static void GetInfoAsync()
{
await GetData(); // 等待异步操作, 无返回值
await GetData<int>(); //等待异步操作, 返回值 int
} static Task GetData()
{
//...
return null;
} static Task<T> GetData<T>(int a)
{
//...
return null;
}

注: await 最终操作的是一个值, 当然, 也可以是无值, 如上GetData() , 否则就是一个 Task<T> 如上: GetData<T>()

await执行过程

TaskAwaiter 获取执行结果

一般而言, await等待的一个异步操作, 无论是具备返回值还是否, 那么最终都会获得该操作是否已完成、具备返回值得异步操作可以获取他得返回结果。

所以这个时候, TaskAwaiter出现了, 无论是Task、还是Task<TResult>操作, 都具备GetAwaiter() 方法。

用于获取改操作得状态、返回结果, 及部分操作, 如下TaskAwaiter结构:

//
// 摘要:
// 提供等待异步任务完成的对象。
public struct TaskAwaiter : ICriticalNotifyCompletion, INotifyCompletion
{
//
// 摘要:
// 获取一个值，该值指示是否已完成的异步任务。
//
// 返回结果:
// true 如果任务已完成;否则为 false。
//
// 异常:
// T:System.NullReferenceException:
// System.Runtime.CompilerServices.TaskAwaiter 对象未正确初始化。
public bool IsCompleted { get; } //
// 摘要:
// 结束异步任务完成之前的等待。
//
// 异常:
// T:System.NullReferenceException:
// System.Runtime.CompilerServices.TaskAwaiter 对象未正确初始化。
//
// T:System.Threading.Tasks.TaskCanceledException:
// 任务已取消。
//
// T:System.Exception:
// 在完成的任务 System.Threading.Tasks.TaskStatus.Faulted 状态。
[TargetedPatchingOptOut("Performance critical to inline across NGen image boundaries")]
public void GetResult();
//
// 摘要:
// 设置时应执行的操作 System.Runtime.CompilerServices.TaskAwaiter 对象停止等待异步任务完成。
//
// 参数:
// continuation:
// 要在等待操作完成时执行的操作。
//
// 异常:
// T:System.ArgumentNullException:
// continuation 为 null。
//
// T:System.NullReferenceException:
// System.Runtime.CompilerServices.TaskAwaiter 对象未正确初始化。
[SecuritySafeCritical]
public void OnCompleted(Action continuation);
//
// 摘要:
// 计划程序与此等待异步任务的延续任务操作。
//
// 参数:
// continuation:
// 要等待操作完成时调用的操作。
//
// 异常:
// T:System.ArgumentNullException:
// continuation 为 null。
//
// T:System.InvalidOperationException:
// 该等待程序未正确初始化。
[SecurityCritical]
public void UnsafeOnCompleted(Action continuation);
}

接下来, 演示如何通过等待去获取异步操作的返回结果, 如下代码所示:

public async static void GetInfoAsync()
{
Task<bool> task = Task.Run<bool>(() =>
{
Thread.Sleep(); //模拟耗时
return true;
}); //以下两种方式
bool taskResult1 = await task; //内部自己执行了GetAwaiter()
bool taskResult = task.GetAwaiter().GetResult(); //自己手动执行Awaiter(), 但是阻塞UI
Console.WriteLine(taskResult);
}

注: 对于一个await表达式, 编译器生成的代码会先调用GetAwaiter(), 然后通过awaiter得成员来等待结果, 所以以上两种方式等效( 不考虑阻塞的情况下)

为了验证以上猜测, 通过反编译工具查看得到如下代码:

编译器最终生成两个密封类, 一个类( <>c )我们展开分析:

<GetInfoAsync>b__1_0() 正是模拟耗时的一个操作委托生成的方法。

[CompilerGenerated]
[Serializable]
private sealed class <>c
{
public static readonly Program.<>c <> = new Program.<>c();
public static Func<bool> <>9__1_0;
internal bool <GetInfoAsync>b__1_0()
{
Thread.Sleep();
return true;
}
}

第二个类 <GetInfoAsync>d__1 分析:

该类分别实现了接口 IAsyncStateMachine 的MoveNext() 与 SetStateMachine() ,另外注意,

还特别定义了一个 <>t__builder, 先记住他, 下面讲会对他讲到, 为什么编译器生成的代码会默认先调用GetAwaiter()

[CompilerGenerated]
private sealed class <GetInfoAsync>d__1 : IAsyncStateMachine
{
public int <>1__state;
public AsyncVoidMethodBuilder <>t__builder;
private Task<bool> <task>5__1;
private bool <result>5__2;
private bool <>s__3;
private TaskAwaiter<bool> <>u__1;
void IAsyncStateMachine.MoveNext()
{
int num = this.<>1__state;
try
{
TaskAwaiter<bool> awaiter;
if (num != )
{
Func<bool> arg_2F_0;
if ((arg_2F_0 = Program.<>c.<>9__1_0) == null)
{
arg_2F_0 = (Program.<>c.<>9__1_0 = new Func<bool>(Program.<>c.<>.<GetInfoAsync>b__1_0));
}
this.<task>5__1 = Task.Run<bool>(arg_2F_0);
awaiter = this.<task>5__1.GetAwaiter();
if (!awaiter.IsCompleted)
{
this.<>1__state = ;
this.<>u__1 = awaiter;
Program.<GetInfoAsync>d__1 <GetInfoAsync>d__ = this;
this.<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted<TaskAwaiter<bool>, Program.<GetInfoAsync>d__1>(ref awaiter, ref <GetInfoAsync>d__);
return;
}
}
else
{
awaiter = this.<>u__1;
this.<>u__1 = default(TaskAwaiter<bool>);
this.<>1__state = -;
}
this.<>s__3 = awaiter.GetResult();
this.<result>5__2 = this.<>s__3;
Console.WriteLine(this.<result>5__2);
}
catch (Exception exception)
{
this.<>1__state = -;
this.<>t__builder.SetException(exception);
return;
}
this.<>1__state = -;
this.<>t__builder.SetResult();
}
[DebuggerHidden]
void IAsyncStateMachine.SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine)
{
}
}

接下来, 看GetInfoAsync()方法, 这个是自己编写的, 但是实现的细节,最终转换成了编译器执行代码:

[AsyncStateMachine(typeof(Program.<GetInfoAsync>d__1)), DebuggerStepThrough]
public static void GetInfoAsync()
{
Program.<GetInfoAsync>d__1 <GetInfoAsync>d__ = new Program.<GetInfoAsync>d__1();
<GetInfoAsync>d__.<>t__builder = AsyncVoidMethodBuilder.Create();
<GetInfoAsync>d__.<>1__state = -;
AsyncVoidMethodBuilder <>t__builder = <GetInfoAsync>d__.<>t__builder;
<>t__builder.Start<Program.<GetInfoAsync>d__1>(ref <GetInfoAsync>d__); //注意到该代码, 调用了Start(),也许这就是默认实现的地方
}

通过查看Start泛型方法的实现, 最终找到了, 该泛型的条件限制于必须实现与 IAsyncStateMachine 接口, 所以通过查看, 该类最终调用了 MoveNext(), 而MoveNext中正

调用了GetAwaiter()。关于Start的实现如下所示:

[SecuritySafeCritical, DebuggerStepThrough, __DynamicallyInvokable]
public void Start<TStateMachine>(ref TStateMachine stateMachine) where TStateMachine : IAsyncStateMachine
{
if (stateMachine == null)
{
throw new ArgumentNullException("stateMachine");
}
ExecutionContextSwitcher executionContextSwitcher = default(ExecutionContextSwitcher);
RuntimeHelpers.PrepareConstrainedRegions();
try
{
ExecutionContext.EstablishCopyOnWriteScope(ref executionContextSwitcher);
stateMachine.MoveNext();
}
finally
{
executionContextSwitcher.Undo();
}
}