c#中的Task异步编程

Posted 2022-03-06 mo-lu

https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/programming-guide/concepts/async/index翻译

1. 引入

　　Task异步编程模型（TAP）提供了对异步代码的抽象，将代码作为语句序列，可以在每个阶段完成下个阶段开始前读取代码，该过程中，编译器进行了多次转换，因为一些语句可能启动工作并返回正在进行的工作任务。

　　Task异步编程的目标就是，启动类似于语句序列的代码，但当任务执行完成时，基于外部资源分配以一个更复杂的顺序执行任务，类似于人们如何为包含异步任务的进程发出指令。

2. 异步编程

　　在本文中，通过一个制作早餐的示例，了解关键字async和await关键字如何使得包含一系列异步指令的操作更容易。

　　制造早餐的列表如下：

　　（1）倒一杯咖啡；

　　（2）将锅加热，然后煎两个鸡蛋；

　　（3）炒三片培根；

　　（4）吐司两片面包；

　　（5）加入黄油和果酱吐司；

　　（6）倒一杯橙汁

　　烹饪早餐是异步工作的一个很好范例，同一个人可以在一个步骤完成之前去执行另一个步骤。该操作的同步代码简易版如下：

static void Main(string[] args)

    Coffee cup = PourCoffee();
    Console.WriteLine("coffee is ready");
    Egg eggs = FryEggs(2);
    Console.WriteLine("eggs are ready");
    Bacon bacon = FryBacon(3);
    Console.WriteLine("bacon is ready");
    Toast toast = ToastBread(2);
    ApplyButter(toast);
    ApplyJam(toast);
    Console.WriteLine("toast is ready");
    Juice oj = PourOJ();
    Console.WriteLine("oj is ready");

    Console.WriteLine("Breakfast is ready!");

　　如果采用上述给出的步骤进行早餐准备，整个效率会非常低下，而事实上，我们可以在锅加热煎鸡蛋的过程中，炒培根，在培根开始之后，就可以将面包放入烤面包机。要想实现动作的异步执行，需要编写异步代码。异步实现的简易代码如下：

static async void Main(string[] args)

    Coffee cup = PourCoffee();
    Console.WriteLine("coffee is ready");
    Egg eggs =await FryEggs(2);
    Console.WriteLine("eggs are ready");
    Bacon bacon =await FryBacon(3);
    Console.WriteLine("bacon is ready");
    Toast toast =await ToastBread(2);
    ApplyButter(toast);
    ApplyJam(toast);
    Console.WriteLine("toast is ready");
    Juice oj = PourOJ();
    Console.WriteLine("oj is ready");

    Console.WriteLine("Breakfast is ready!");

　　此时，煎鸡蛋、炒培根和烤面包这三个动作就不需要依次执行，当烹饪鸡蛋或培根时，代码不会阻止，可以同时启动多个组件任务。

2.1 同时启动任务

　　许多情况下，我们希望立即启动多个独立任务，然后，当每个任务完成后，可以继续其他已准备好的工作。在上述早餐实例中，也就是要求更快的完成早餐。.NET Core中，System.Threading.Tasks.Task和相关类可以用来推理正在进行的任务类，该特性使得更容易编写接近实际创建早餐方式的代码。能够同时开始烹饪鸡蛋、培根和吐司。当每个动作需要执行时，我们可以把注意力转移到该任务上，注意下一个动作，然后等待其他需要注意的事情。

　　我们可以启动一个任务并保留该工作的Task对象，await在处理结果之前，我们将完成每项任务。对上述创建早餐的代码进行修改，第一步是在操作开始时存储操作，而非等待它们。

Coffee cup = PourCoffee();
Console.WriteLine("coffee is ready");
Task<Egg> eggTask=FryEggs(2);
Egg eggs=await eggTask;
Console.WriteLine("eggs are ready");
Task<Bacon> baconTask=FryBacon(3);
Bacon bacon=await baconTask;
Console.WriteLine("bacon is ready");
Task<Toast> toastTask=ToastBread(2);
Toast toast=await toastTask;
ApplyButter(toast);
ApplyJam(toast);
Console.WriteLine("toast is ready");
Juice oj = PourOJ();
Console.WriteLine("oj is ready");

Console.WriteLine("Breakfast is ready!");

　　接下来，可以将await在提供早餐前将炒培根和煎鸡蛋语句移至末尾，代码如下：

Coffee cup = PourCoffee();
Console.WriteLine("coffee is ready");
Task<Egg> eggTask = FryEggs(2);
Task<Bacon> baconTask = FryBacon(3);
Task<Toast> toastTask = ToastBread(2);
Toast toast = await toastTask;
ApplyButter(toast);
ApplyJam(toast);
Console.WriteLine("toast is ready");
Juice oj = PourOJ();
Console.WriteLine("oj is ready");

Egg eggs = await eggTask;
Console.WriteLine("eggs are ready");
Task<Bacon> baconTask = FryBacon(3);
Bacon bacon = await baconTask;
Console.WriteLine("bacon is ready");

　　该代码的效果更好，可以立即启动所有的异步任务，只有在需要结果时才等待每项任务。该代码的实现类似于web应用程序中的代码，能够发出不同微服务的请求，然后将结果组合成单个页面。此时，我们将立即发出所有的请求，然后await所有的任务并组合成web页面。

2.2 任务组合　　

　　上述制作早餐的过程中，制作吐司是异步操作（烤面包）和同步操作（添加黄油和果酱）的组合。此时，我们需要知道，异步操作和后续同步操作的组合是异步操作，即如果操作的任意部分是异步的，则整个操作都是异步的。

　　下面给出创建工作组合的方法。在供应早餐之前，如果想要在添加黄油和果酱之前等待烘烤面包的任何，则可以使用以下代码表示：

async Task<Toast> makeToastWithButterAndJamAsync(int number)
      var plainToast=await ToastBreadAsync(number);  
      ApplyButter(plainToast);
      ApplyJsm(plainToast);
      return plainToast;

　　上述方法中包含了一个await语句，包含异步操作，该方法代表了烘烤面包的任务，然后添加黄油和果酱，之后返回一个Task<TResult>,表示这三个操作的组合结果。当前代码课修改为：

static async Task Main(string[] args)
    Coffee cup = PourCoffee();
    Console.WriteLine("coffee is ready");
    var eggsTask = FryEggsAsync(2);
    var baconTask = FryBaconAsync(3);
    var toastTask = makeToastWithButterAndJamAsync(2);  
    var eggs = await eggsTask;
    Console.WriteLine("eggs are ready");
    var bacon = await baconTask;
    Console.WriteLine("bacon is ready");
    var toast = await toastTask;
    Console.WriteLine("toast is ready");
    Juice oj = PourOJ();
    Console.WriteLine("oj is ready");

    Console.WriteLine("Breakfast is ready!");

    async Task<Toast> makeToastWithButterAndJamAsync(int number)
    
        var plainToast = await ToastBreadAsync(number);
        ApplyButter(plainToast);
        ApplyJam(plainToast);
        return plainToast;
    

　　以上代码的修改说明了异步代码工作的重要性，通过将操作分离为返回任务的新方法来组合任务，可以选择何时等待这项任务，同时启动其他任务

2.3 有效地等待其他任务

　　await可以通过使用Task类的方法来该井前面代码末尾的一系列语句，其中一个API是WhenAll，它返回一个在其参数列表中所有任务完成时完成的Task，如以下代码所示：

await Task.WhenAll(eggTask,baconTask,toastTask);
Console.WriteLine("eggs are ready");
Console.WriteLine("bacon is ready");
Console.WriteLine("toast is ready");
Console.WriteLine("Breakfast is ready!");

　　另一个选择是使用WhenAny，用它修饰的任务在任何参数完成时都返回一个Task<Task>，我们在知道任务已经完成时，可以等待返回的结果。以下代码显示了如何使用WhenAny等待第一个任务完成然后处理其结果，处理完结果后，从传递给的任务列表中删除该已完成的任务。

var allTasks=new List<Task>aggsTask,baconTask,toastTask;
while(allTask.Any())
    Task finished=await Task.WhenAny(allTasks);
     if (finished == eggsTask)
    
        Console.WriteLine("eggs are ready");
        allTasks.Remove(eggsTask);
        var eggs = await eggsTask;
     else if (finished == baconTask)
    
        Console.WriteLine("bacon is ready");
        allTasks.Remove(baconTask);
        var bacon = await baconTask;
     else if (finished == toastTask)
    
        Console.WriteLine("toast is ready");
        allTasks.Remove(toastTask);
        var toast = await toastTask;
     else
            allTasks.Remove(finished);

Console.WriteLine("Breakfast is ready!");    
 

　　在所有更改后，最终版本main方法如下：

static async Task Main(string[] args)

    Coffee cup = PourCoffee();
    Console.WriteLine("coffee is ready");
    var eggsTask = FryEggsAsync(2);
    var baconTask = FryBaconAsync(3);
var toastTask = makeToastWithButterAndJamAsync(2);
var allTasks = new List<Task>eggsTask, baconTask, toastTask;
while(allTask.Any())
 Task finished = await Task.WhenAny(allTasks);
if (finished == eggsTask)
        
            Console.WriteLine("eggs are ready");
            allTasks.Remove(eggsTask);
            var eggs = await eggsTask;
         else if (finished == baconTask)
        
            Console.WriteLine("bacon is ready");
            allTasks.Remove(baconTask);
            var bacon = await baconTask;
         else if (finished == toastTask)
        
            Console.WriteLine("toast is ready");
            allTasks.Remove(toastTask);
            var toast = await toastTask;
         else
                allTasks.Remove(finished);

Console.WriteLine("Breakfast is ready!");

    async Task<Toast> makeToastWithButterAndJamAsync(int number)
    
        var plainToast = await ToastBreadAsync(number);
        ApplyButter(plainToast);
        ApplyJam(plainToast);
        return plainToast;