异步编程（async&await）

Posted 2021-04-13 DotNet开发跳槽

本来这篇文章上个月就该发布了，但是因为忙 QuarkDoc  一直没有时间整理，所以耽搁到今天，现在回归正轨。

C# 5.0 虽然只引入了2个新关键词：async和await。然而它大大简化了异步方法的编程。

在 线程池（threadPool）大致介绍了微软在不同时期使用的不同的异步模式，有3种：

1.异步模式

2.基于事件的异步模式

3.基于任务的异步模式（TAP）

而最后一种就是利用async和await关键字来实现的（TAP是现在微软极力推崇的一种异步编程方式）。

但请谨记，async和await关键字只是编译器功能。编译器会用Task类创建代码。如果不使用这两个关键词，用C#4.0的Task类同样可以实现相同的功能，只是没有那么方便而已。

 

认识async和await

使用async和await关键词编写异步代码，具有与同步代码相当的结构和简单性，并且摒弃了异步编程的复杂结构。

但是在理解上刚开始会很不习惯，而且会把一些情况想当然了，而真实情况会相去甚远（我犯过这样的错误）。所以根据几个示例一步步理解更加的靠谱些。

1.一个简单的同步方法

这是一个简单的同步方法调用示例：

 1     class Program
 2     {
 3         static void Main(string[] args)
 4         {
 5             Console.WriteLine($"头部已执行，当前主线程Id为：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
 6             string result = SayHi("jack");
 7             Console.WriteLine(result);
 8             Console.WriteLine($"尾部已执行，当前主线程Id为：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
 9             Console.ReadKey();
10         }
11         static string SayHi(string name)
12         {
13             Task.Delay(2000).Wait();//异步等待2s
14             Console.WriteLine($"SayHi执行，当前线程Id为：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
15             return $"Hello,{name}";
16         }
17     }

执行结果如下，方法在主线程中运行，主线程被阻塞。

2.同步方法异步化

示例将方法放到任务内执行：

 1     class Program
 2     {
 3         static void Main(string[] args)
 4         {
 5             Console.WriteLine($"头部已执行，当前主线程Id为：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
 6             string result = SayHiAsync("jack").Result;
 7             Console.WriteLine(result);
 8             Console.WriteLine($"尾部已执行，当前主线程Id为：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
 9             Console.ReadKey();
10         }
11         static Task<string> SayHiAsync(string name)
12         {
13             return Task.Run<string>(() => { return SayHi(name); });
14         }
15         static string SayHi(string name)
16         {
17             Task.Delay(2000).Wait();//异步等待2s
18             Console.WriteLine($"SayHi执行，当前线程Id为：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
19             return $"Hello,{name}";
20         }
21     }

执行结果如下，方法在另外一个线程中运行，因为主线程调用了Result，Result在任务没有完成时内部会使用Wait，所以主线程还是会被阻塞。

3.延续任务

示例为了避免阻塞主线程使用任务延续的方式：

 1     class Program
 2     {
 3         static void Main(string[] args)
 4         {
 5             Console.WriteLine($"头部已执行，当前主线程Id为：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
 6             Task<string> task = SayHiAsync("jack");
 7             task.ContinueWith(t =>//延续任务，指定任务执行完成后延续的操作
 8             {
 9                 Console.WriteLine($"延续执行，当前线程Id为：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
10                 string result = t.Result;
11                 Console.WriteLine(result);
12             });
13             Console.WriteLine($"尾部已执行，当前主线程Id为：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
14             Console.ReadKey();
15         }
16         static Task<string> SayHiAsync(string name)
17         {
18             return Task.Run<string>(() => { return SayHi(name); });
19         }
20         static string SayHi(string name)
21         {
22             Task.Delay(2000).Wait();//异步等待2s
23             Console.WriteLine($"SayHi执行，当前线程Id为：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
24             return $"Hello,{name}";
25         }
26     }

执行结果如下，方法在另外一个线程中运行，因为任务附加了延续，延续会在任务完成后处理返回值，而主线程不会被阻塞。这应该就是想要的效果了。

 

4.使用async和await构建异步方法调用

 1     class Program
 2     {
 3         static void Main(string[] args)
 4         {
 5             Console.WriteLine($"头部已执行，当前主线程Id为：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
 6             CallerWithAsync("jack");
 7             Console.WriteLine($"尾部已执行，当前主线程Id为：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
 8             Console.ReadKey();
 9         }
10         async static void CallerWithAsync(string name)
11         {
12             Console.WriteLine($"异步调用头部执行，当前线程Id为：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
13             string result = await SayHiAsync(name);
14             Console.WriteLine($"异步调用尾部执行，当前线程Id为：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
15             Console.WriteLine(result);
16         }
17         static Task<string> SayHiAsync(string name)
18         {
19             return Task.Run<string>(() => { return SayHi(name); });
20         }
21         static string SayHi(string name)
22         {
23             Task.Delay(2000).Wait();//异步等待2s
24             Console.WriteLine($"SayHi执行，当前线程Id为：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
25             return $"Hello,{name}";
26         }
27     }

执行结果如下，使用await关键字来调用返回任务的异步方法SayHiAsync，而使用await需要有用async修饰符声明的方法，在SayHiAsync方法为完成前，下面的方法不会继续执行。但是主线程并没有阻塞，且任务处理完成后await后的逻辑继续执行。

本质：编译器将await关键字后的所有代码放进了延续（ContinueWith）方法的代码块中来转换await关键词。

 

解析async和await

1.异步（async）

使用async修饰符标记的方法称为异步方法，异步方法只可以具有以下返回类型：
1.Task
2.Task<TResult>
3.void
4.从C# 7.0开始，任何具有可访问的GetAwaiter方法的类型。System.Threading.Tasks.ValueTask<TResult> 类型属于此类实现（需向项目添加System.Threading.Tasks.Extensions NuGet 包）。

异步方法通常包含 await 运算符的一个或多个实例，但缺少 await 表达式也不会导致生成编译器错误。如果异步方法未使用 await 运算符标记暂停点，那么异步方法会作为同步方法执行，即使有 async 修饰符也不例外，编译器将为此类方法发布一个警告。

2.等待（await）

await 表达式只能在由 async 修饰符标记的封闭方法体、lambda 表达式或异步方法中出现。在其他位置，它会解释为标识符。

使用await运算符的任务只可用于返回 Task、Task<TResult> 和 System.Threading.Tasks.ValueType<TResult> 对象的方法。

异步方法同步运行，直至到达其第一个 await 表达式，此时await在方法的执行中插入挂起点，会将方法挂起直到所等待的任务完成，然后继续执行await后面的代码区域。

await 表达式并不阻止正在执行它的线程。而是使编译器将剩下的异步方法注册为等待任务的延续任务。控制权随后会返回给异步方法的调用方。任务完成时，它会调用其延续任务，异步方法的执行会在暂停的位置处恢复。

注意：

1.无法等待具有 void 返回类型的异步方法，并且无效返回方法的调用方捕获不到异步方法抛出的任何异常。

2.异步方法无法声明 in、ref 或 out 参数，但可以调用包含此类参数的方法。同样，异步方法无法通过引用返回值，但可以调用包含 ref 返回值的方法。

 

异步方法运行机理（控制流）

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。

下列示例及说明引自（官方文档），个人认为已经很清晰了：

 1     class Program
 2     {
 3         static void Main(string[] args)
 4         {
 5             var result = AccessTheWebAsync();
 6             Console.ReadKey();
 7         }
 8         async static Task<int> AccessTheWebAsync()
 9         {
10             HttpClient client = new HttpClient();
11             // GetStringAsync返回一个任务。任务Result会得到一个字符串(urlContents)。
12             Task<string> getStringTask = client.GetStringAsync("https://www.cnblogs.com/jonins/");
13             //您可以在这里完成不依赖于GetStringAsync的字符串的工作。
14             DoIndependentWork();
15             //等待的操作员暂停进入WebAsync。
16             //AccessTheWebAsync在getStringTask完成之前不能继续。
17             //同时，控制权返回到AccessTheWebAsync的调用方。
18             //当getStringTask完成后，控件权将继续在这里工作。然后，await运算符从getStringTask检索字符串结果。
19             string urlContents = await getStringTask;
20             //任务完成
21             Console.WriteLine(urlContents.Length);
22             //return语句指定一个整数结果。
23             return urlContents.Length;
24         }
25         static void DoIndependentWork()
26         {
27             Console.WriteLine("Working..........");
28         }
29     }

 

多个异步方法

在一个异步方法里，可以调用一个或多个异步方法，如何编码取决于异步方法间结果是否相互依赖。

1.顺序调用异步方法

使用await关键词可以调用每个异步方法，如果一个异步方法需要使用另一个异步方法的结果，await关键词就非常必要。

示例如下：

 1     class Program
 2     {
 3         static void Main(string[] args)
 4         {
 5             Console.WriteLine("执行前.....");
 6             GetResultAsync();
 7             Console.WriteLine("执行中.....");
 8             Console.ReadKey();
 9         }
10         async static void GetResultAsync()
11         {
12             var number1 = await GetResult(10);
13             var number2 =  GetResult(number1);
14             Console.WriteLine($"结果分别为：{number1}和{number2.Result}");
15         }
16         static Task<int> GetResult(int number)
17         {
18             return Task.Run<int>(() => { Task.Delay(1000).Wait(); return number + 10; });
19         }
20     }

2.使用组合器

如果异步方法间相互不依赖，则每个异步方法都不使用await，而是把每个异步方法的结果赋值给Task变量，就会运行得更快。

示例如下：

 1     class Program
 2     {
 3         static void Main(string[] args)
 4         {
 5             Console.WriteLine("执行前.....");
 6             GetResultAsync();
 7             Console.WriteLine("执行中.....");
 8             Console.ReadKey();
 9         }
10         async static void GetResultAsync()
11         {
12             Task<int> task1 = GetResult(10);
13             Task<int> task2 = GetResult(20);
14             await Task.WhenAll(task1, task2);
15             Console.WriteLine($"结果分别为：{task1.Result}和{task2.Result}");
16         }
17         static Task<int> GetResult(int number)
18         {
19             return Task.Run<int>(() => { Task.Delay(1000).Wait(); return number + 10; });
20         }
21     }

Task类定于2个组合器分别为：WhenAll和WhenAny。

WhenAll是在所有传入的任务都完成时才返回Task。

WhenAny是在传入的任务其中一个完成就会返回Task。

 

异步方法的异常处理

1.异常处理

以下示例一种是普通的错误的捕获方式，另一种是异步方法异常捕获方式：

 1     class Program
 2     {
 3         static void Main(string[] args)
 4         {
 5 
 6             DontHandle();
 7             HandleError();
 8             Console.ReadKey();
 9         }
10         //错误处理
11         static void DontHandle()
12         {
13             try
14             {
15                 var task = ThrowAfter(0, "DontHandle Error");
16             }
17             catch (Exception ex)
18             {
19 
20                 Console.WriteLine(ex.Message);
21             }
22         }
23         //异步方法错误处理
24         static async void HandleError()
25         {
26             try
27             {
28                 await ThrowAfter(2000, "HandleError Error");
29             }
30             catch (Exception ex)
31             {
32 
33                 Console.WriteLine(ex.Message);
34             }
35         }
36         //在延迟后抛出异常
37         static async Task ThrowAfter(int ms, string message)
38         {
39             await Task.Delay(ms);
40             throw new Exception(message);
41         }
42     }

执行结果如下：

调用异步方法，如果只是简单的放在try/catch块中，将会捕获不到异常。这是因为DontHandle方法在ThrowAfter抛出异常之前已经执行完毕（返回void的异步方法不会等待。这是因为从async void方法抛出的异常无法捕获。因此异步方法最好返回一个Task类型）。

异步方法的一个较好异常处理方式，是使用await关键字，将其放在try/catch中。

2.多个异步方法异常处理

如果调用了多个异步方法，在第一个异步方法抛出异常，后续的方法将不会被调用，catch块内只会处理出现的第一个异常。

所以正确的做法是使用Task.WhenAll,不管任务是否抛出异常都会等到所有任务完成。Task.WhenAll结束后，异常被catch语句捕获到。如果只是捕获Exception，我们只能看到WhenAll方法的第一个发生异常的任务信息，不会抛出后续的异常任务。

如果要捕获所有任务的异常信息，就是对任务声明变量，在catch块内可以访问，再使用IsFaulted属性检查任务的状态，以确认它们是否出现错误，然后再进行处理。示例如下：

 1     class Program
 2     {
 3         static void Main(string[] args)
 4         {
 5             HandleError();
 6             Console.ReadKey();
 7         }
 8         //正确的处理方式
 9         static async void HandleError()
10         {
11             Task t1 = null;
12             Task t2 = null;
13             try
14             {
15                 t1 = ThrowAfter(1000, "HandleError-One-Error");
16                 t2 = ThrowAfter(2000, "HandleError-Two-Error");
17                 await Task.WhenAll(t1, t2);
18             }
19             catch (Exception)
20             {
21                 if (t1.IsFaulted)
22                     Console.WriteLine(t1.Exception.InnerException.Message);
23                 if (t2.IsFaulted)
24                     Console.WriteLine(t2.Exception.InnerException.Message);
25             }
26         }
27         //在延迟后抛出异常
28         static async Task ThrowAfter(int ms, string message)
29         {
30             await Task.Delay(ms);
31             throw new Exception(message);
32         }
33     }

3.使用AggregateException捕获异步方法异常

 在 任务（task）中介绍过AggregateException，它包含了等待中所有异常的列表，可轻松遍历处理所有异常信息。示例如下：

 1     class Program
 2     {
 3         static void Main(string[] args)
 4         {
 5             HandleError();
 6             Console.ReadKey();
 7         }
 8         //正确的处理方式
 9         static async void HandleError()
10         {
11             Task taskResult = null;
12             try
13             {
14                 Task t1 = ThrowAfter(1000, "HandleError-One-Error");
15                 Task t2 = ThrowAfter(2000, "HandleError-Two-Error");
16                 await (taskResult = Task.WhenAll(t1, t2));
17             }
18             catch (Exception)
19             {
20                 foreach (var ex in taskResult.Exception.InnerExceptions)
21                 {
22                     Console.WriteLine(ex.Message);
23                 }
24           
25             }
26         }
27         //在延迟后抛出异常
28         static async Task ThrowAfter(int ms, string message)
29         {
30             await Task.Delay(ms);
31             throw new Exception(message);
32         }
33     }

 

重要的补充与建议

1.提高响应能力

.NET有很多异步API我们都可以通过async/await构建调用提高响应能力，例如：

 1     class Program
 2     {
 3         static void Main(string[] args)
 4         {
 5             Demo();
 6             Console.ReadKey();
 7         }
 8         static async void Demo()
 9         {
10             HttpClient httpClient = new HttpClient();
11             var getTaskResult = await httpClient.GetStringAsync("https://www.cnblogs.com/jonins/");
12             Console.WriteLine(getTaskResult);
13         }
14     }

这些API都有相同原则即以Async结尾。

 

2.重要建议

1.async方法需在其主体中具有await 关键字，否则它们将永不暂停。同时C# 编译器将生成一个警告，此代码将会以类似普通方法的方式进行编译和运行。请注意这会导致效率低下，因为由 C# 编译器为异步方法生成的状态机将不会完成任何任务。

2.应将“Async”作为后缀添加到所编写的每个异步方法名称中。这是 .NET 中的惯例，以便更轻松区分同步和异步方法。

3.async void 应仅用于事件处理程序。因为事件不具有返回类型（因此无法返回 Task 和 Task<T>）。其他任何对 async void 的使用都不遵循 TAP 模型，且可能存在一定使用难度。

例如：async void 方法中引发的异常无法在该方法外部被捕获或十分难以测试 async void 方法。

3.以非阻止方式处理等待任务

 

异步编程准则

异步编程的准则是确定所需执行的操作是I/O-Bound还是 CPU-Bound。因为这会极大影响代码性能，并可能导致某些构造的误用。

考虑两个问题：

1.你的代码是否会“等待”某些内容，例如数据库中的数据或web资源等？如果答案为“是”，则你的工作是 I/O-Bound。

2.你的代码是否要执行开销巨大的计算？如果答案为“是”，则你的工作是 CPU-Bound。

如果你的工作为 I/O-Bound，请使用 async 和 await（而不使用 Task.Run）。不应使用任务并行库。 
如果你的工作为 CPU-Bound，并且你重视响应能力，请使用 async 和 await，并在另一个线程上使用 Task.Run 生成工作。如果该工作同时适用于并发和并行，则应考虑使用任务并行库。

 

结语

如果想要了解状态机请戳：这里 。

 

参考资料

C#高级编程（第10版） C# 6 & .NET Core 1.0   Christian Nagel  

果壳中的C# C#5.0权威指南  Joseph Albahari

https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/programming-guide/concepts/async/index

https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/keywords/async

https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/keywords/await