多线程和异步

多线程和异步

异步方法—Async、Await

 

一：前言

1.所有带有Async关键字的异步方法返回类型：

　　　　① Task<T>：如果调用方法想通过调用异步方法获取一个T类型的返回值，那么签名必须为Task<TResult>；

　　　　② Task:如果调用方法不想通过异步方法获取一个值，仅仅想追踪异步方法的执行状态，那么我们可以设置异步方法签名的返回值为Task;

　　　　③ void:如果调用方法仅仅只是调用一下异步方法，不和异步方法做其他交互，我们可以设置异步方法签名的返回值为void，这种形式也叫做“调用;

即：异步方法的返回值类型必须为Task或Task<T>；

2.异步方法的“传染性“：一个方法中如果有await调用，则这个方法也必须修饰为async。

3.在async方法中遇到await关键字后，当前线程立即返回(到调用方)，继续之前的处理逻辑；await关键字之后的代码逻辑，将交由新的线程处理；当新的线程处理完成后，可以从新的线程返回处理结果到调用(处)线程当中，结束等待。

4.在一个async方法中，会根据await关键字进行分割，拆分到不同的线程处理同一个方法的不同部分！如下例：

 static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("{0}->Main.异步方法执行前", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString());//输出异步处理之前的线程ID
            DoAsync(1000).Wait();//执行异步处理，并等待该异步方法执行完成后才继续
            Console.WriteLine("{0}->Main.异步方法执行后", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString());//输出异步处理之后的线程ID

            Console.Read();
        }


        /// <summary>
        /// 执行异步处理
        /// </summary>
        /// <param name="times">模拟处理时长</param>
        /// <returns></returns>
        public static async Task DoAsync(int times)
        {
            Console.WriteLine("{0}->DoAsync.await之前", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString());//输出调用线程ID
            await Task.Run(() => Thread.Sleep(times));///执行一个异步任务，并等待返回结果才继续；需要注意的是，调用线程执行到这一行的时候其实就已经返回了
            Console.WriteLine("{0}->DoAsync.await之后", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString());//异步操作执行完了，但这里已经是新的线程了
        }

运行结果：

请注意：在同步方法Main中执行的时候都是同一个线程；在异步方法DoAsync执行的时候，在await之前是调用线程，在await之后则是另一个线程。

5.把一个方法代码的不同部分拆分到多个线程处理，这是异步方法和同步方法的最大不同！

总而言之：

在异步(async)方法执行中，会根据await关键字，拆分一个方法为多个部分，分别由不同的线程执行。

在异步(async)方法执行中，遇到await关键字，调用线程会立即返回(线程池)继续后续的处理逻辑；而后，调用方可以使用Task.Wait()或Task<T>.Result进行阻塞，等待异步方法执行完毕再继续。

在异步(async)方法执行后，若不使用Task.Wait()进行等待，或不使用Task<T>.Result获取返回结果，则该方法将仅以异步方式执行。

二：详解Async和await关键字

1.Async和await细节

async和await可以创建和使用异步方法，这个特性的由三个部分组成：

①调用方法(calling method)：该方法调用异步方法，然后在异步方法（可能使用同一个线程也可能不在一个线程）执行其任务的时候继续执行

②异步方法（async）: 该方法异步执行其工作，然后立即方法到调用方法

③await表达式：用于异步方法内部，指明需要异步执行的惹怒我。一个异步方法可以包含任意多个await表达式，如果一个都不包含编译器会发出警告

//1.调用方法
static void Main(string[] args)
{
    Task<int> t = DoSumAsync(1, 2);
    Console.WriteLine("结果:{0}", t.Result);
    Console.ReadKey();
}
 
//2.异步方法
public static async Task<int> DoSumAsync(int a, int b)
{
    //3.await 表达式
    int sum = await Task.Run(() => { return a + b; });
    return sum;
}

2.什么是异步？

异步方法在完成其工作之前返回到调用方法，并在调用方法继续执行的时候完成其工作。语法上有如下特征：

① 方法使用async作为修饰符

② 方法内部包含一个或者多个await表达式，表示可以异步完成的任务

③ 必须具备以下三种返回类型 void 、Task 、Task<T> ,其中后两种的返回对象标识讲座未来完成的工作，调用方法和异步方法可以继续执行。

④异步方法的参数可以任意类型，但是不能为out和ref参数

⑤约定俗成，一般异步方法都是以 Async作为后缀的。

⑥ 除了方法之外，Lambda表达式和匿名函数也可以作为异步对象。

private async Task<int> CountCharactersAsync(int id, string uriString)
{
    WebClient wc = new WebClient();
    Console.WriteLine("Call {0} start: {1:N0}ms ", id, sw.Elapsed.TotalMilliseconds);
    string result = await wc.DownloadStringTaskAsync(new Uri(uriString));
    Trace.TraceInformation("Taceing Async Call {0} @time:{1:N0}ms", id, sw.Elapsed.TotalMilliseconds);
    Console.WriteLine("Call {0} completed: {1:N0}ms", id, sw.Elapsed.TotalMilliseconds);
    return result.Length;
}

详细说明：

①async关键字是一个上下文关键字，也就是说除了做为方法（lambda和匿名函数）的修饰符之外，还可以做标识符。

②返回类型

Task类型：如果调用方法不需要从异步方法中返回某个值，但需要检查异步方法的状态，可以返回一个Task，此时就算异步方法中出现了return语句，也不会返回任何东西。

Task<T>类型，除了上面Task的功能，还可以通过 Return属性来获取返回的T类型的值。

void类型：如果仅仅是执行异步方法，而不需要与它做任何进一步的交互（“调用并忘记”），此时可以用void，和Task一样，就算有return语句，也得不到任何东西。

3.异步方法的控制流

首先要明确“异步方法”的三个部分，如下图所示：

①首先是第一个await之前的部分，这部分应该是少量且无需长时间等待的代码。

②await表达式，表示需要被异步执行的任务，这里有两个await表达式，第二个await和之前的同步部分和第一个await以及之前的部分是一样的。

③后续部分：在await表达式之后出现的方法中的其余代码。

执行过程：

有几个注意的地方：

① await之前的部分是同步执行的

② 当达到awati的时候，会将异步方法的控制返回给调用方法。如果方法返回的类型是Task或者Task<T>，将创建一个Task对象，表示需异步完成的任务和后续，然后将该Task返回到调用方法。 这里的返回值并不是await表达式的返回值，而是异步方法中声明的返回值类型。

③ 异步方法内部需要完成以下工作：

　　- 异步执行await表达是的空闲任务

       - 当await表达式执行完成之后，执行后续部分。后续本身也可能是await表达式，处理过程和上一个一致。

　　- 后续部分如果遇到 return 或者 方法达到末尾，将做如下的事情：

　　　　l  如果返回的类型是void,控制流就退出了

　　　　l  如果返回的类型是Task，后续部分设置Task对象的属性并退出。

　　　　l  如果返回的类型是Task<T>，不仅要设置Task对象属性，还要设置Task对象的Return属性。

  　　这个点要注意下：并不是遇到return或者达到方法末尾，就能获取到返回值，它只是退出了。

④ 调用方法继续执行，会从异步方法获取Task对象。当需要其实际值的时候，就引用Task对象中的Result属性。届时，如果异步方法设置了该属性，调用方法获取其值并继续。否则就等待该属性被设置，然后再继续执行。

4.await表达式

await表达式指定了一个异步执行的任务。语法由 await关键字 + 一个空闲对象(称为任务)组成。这个任务可能是一个Task对象，也可以不是，默认情况下由该线程异步执行。

一个空闲对象 指的是一个awaitable类型的实例，awaitable类型是指包含了GetAwaiter方法的类型，方法没有参数，返回一个称为awaiter类型的对象。

 

 一个awaiter对象包含了如下成员：

 

一般情况下我们不需要自己构建一个awaiter对象，使用.net 自己的Task就可以了。最简单的方法就是使用Task.Run()来返回一个Task对象。关于Task.Run()有一个非常重要的点，他将在不同的线程上运行你的方法。

5.异常处理和await表达式

static void Main(string[] args)
{
 
    Task t = BadAsync();
    t.Wait();
    Console.WriteLine("Task Status:       {0}", t.Status );
    Console.WriteLine("Task IsFaulted:    {0}", t.IsFaulted );
    Console.WriteLine("Please enter a key to exit!");
    Console.ReadKey();
 
}
 
static async Task BadAsync()
{
    try
    {
        await Task.Run(() => { throw new Exception(); });
    }
    catch
    {
        Console.WriteLine("Exception in BadAsync");
    }
}

运行结果：

 从结果可以看到，虽然在异步方法内部进行了try..catch，并且也catch到了异常，但是对于调用函数，返回的Task状态依然为 RanToCompletion 。

为什么这个亚子？，原因如下：

① Task没有被取消掉

② 没有未处理的异常。类似的IsFaulted是false。

 6.在调用方法中同步的等待任务（WaitAll、WaitAny）

对于单个Task，可以通过task对象的wait方法等待：

Task<int> t = CountCharactersAsync("http://www.163.com");
t.Wait();

对于多个Task，可以使用WaitAll()或者WaitAny()方法，进行同步：

Task<int> t1 = CountCharactersAsync(1, "http://www.163.com");
Task<int> t2 = CountCharactersAsync(2, "http://www.microsoft.com");
Task<int>[] tasks = new Task<int>[] { t1, t2 };
Task.WaitAll(tasks);

WaitAny是只要一个完成就可以继续操作：

Task<int> t1 = CountCharactersAsync(1, "http://www.163.com");
Task<int> t2 = CountCharactersAsync(2, "http://www.microsoft.com");
Task<int>[] tasks = new Task<int>[] { t1, t2 };
Task.WaitAny(tasks);

7.在异步方法中异步的等待任务 （WhenAll、.WhenAny）

上面说明了如何在“调用方法”中，同步等待Task的完成。 但是有时候，我们在一个异步方法中也会存在多个任务，想要让它们通过await表达式等待。我们可以通过Task.WhenAll() 和 Task.WhenAny() 方法实现。 这两个方法称为组合子（combinator）。

private async Task<int> CountCharactersAsync(string site1, string site2)
{
    WebClient wc1 = new WebClient();
    WebClient wc2 = new WebClient();
 
    Task<string> t1 = wc1.DownloadStringTaskAsync(new Uri(site1));
    Task<string> t2 = wc2.DownloadStringTaskAsync(new Uri(site2));
 
    List<Task<string>> tasks = new List<Task<string>>();
    tasks.Add(t1);
    tasks.Add(t2);
 
    //组合子
    await Task.WhenAll(tasks);
    //await Task.WhenAny(tasks);
 
    Console.WriteLine("   CCA:  T1 {0} Finished", t1.IsCompleted ? "" : "Not");
    Console.WriteLine("   CCA:  T2 {0} Finished", t2.IsCompleted ? "" : "Not");
 
    return t1.IsCompleted? t1.Result.Length: t2.Result.Length;
}

8.使用Task.Delay暂停线程处理

一般我们都使用Thread.Sleep(xxxx) 进行线程的延时，但是 Thread.Sleep会阻塞线程。而Task.Delay则不会阻塞线程，线程可以继续处理其他的工作。

class Simple
{
    Stopwatch sw = new Stopwatch();
    public void DoRun()
    {
        Console.WriteLine("Caller: Before call");
        ShowDelayAsync();
        Console.WriteLine("Caller: After call");
 
    }
    private async void ShowDelayAsync()
    {
        sw.Start();
        Console.WriteLine("   Before Delay:  {0} ", sw.Elapsed.Milliseconds );
        await Task.Delay(1000);
        Console.WriteLine("   After  Delay:  {0} ", sw.Elapsed.Milliseconds);
    }
}

 

C#关于在返回值为Task方法中使用Thread.Sleep引发的思考

 

起因

最近有个小伙伴提出了一个问题，就是在使用.net core的BackgroundService的时候，对应的ExecuteAsync方法里面写如下代码，会使程序一直卡在当前方法，不会继续执行，代码如下：

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LANGUAGE-CPP

public class BGService : BackgroundService
{
    protected override Task ExecuteAsync(CancellationToken stoppingToken)
    {
        while (true)
        {
            Thread.Sleep(1000);
        }
    }
}

其实这个问题我们还是对Task和异步执行过程理解不够深入导致的，所以本篇文章笔者就以这个问题来对Task和异步方法执行过程来做源码的探究。
PS:本文只贴出重要的代码和注释，不是其全部的代码，读者多关注下注释。

解析

Thread.Sleep和Task.Delay的区别

• Thread.Sleep分析
  它会挂起当前执行线程指定时间(调用了系统内核的方法)，而这时候当前线程是不能做任何其他的事情，只能等待指定时间后再执行。最终执行的代码如下图：

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LANGUAGE-CSHARP

private static void SleepInternal(int millisecondsTimeout)
{
    //这是Windows平台，不同平台调用的方法不一样
    Interop.Kernel32.Sleep((uint)millisecondsTimeout);
}

• Task.Delay分析
  它的执行实际上是交给了TimerQueueTimer，也就是定时器队列(每个进程里，所有的timer执行都在一个TimerQueueTimer队列集合里面)，在指定时间后回调方法，由ThreadPool中的线程执行。实际执行代码如下图：

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public static Task Delay(int millisecondsDelay, CancellationToken cancellationToken)
{
    if (millisecondsDelay < -1)
    {
        ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException(ExceptionArgument.millisecondsDelay, ExceptionResource.Task_Delay_InvalidMillisecondsDelay);
    }
    //开始执行Delay方法
    return Delay((uint)millisecondsDelay, cancellationToken);
}

private static Task Delay(uint millisecondsDelay, CancellationToken cancellationToken) =>
    cancellationToken.IsCancellationRequested ? FromCanceled(cancellationToken) :
    millisecondsDelay == 0 ? CompletedTask :
                                          //它继承自DelayPromise,只不过加了CancellationToken
    cancellationToken.CanBeCanceled ? new DelayPromiseWithCancellation(millisecondsDelay, cancellationToken) :
    //最终执行这个
    new DelayPromise(millisecondsDelay);

internal DelayPromise(uint millisecondsDelay)
{
    if (millisecondsDelay != Timeout.UnsignedInfinite)
    {
        //把任务放到定时队列里
        _timer = new TimerQueueTimer(s_timerCallback, this, millisecondsDelay, Timeout.UnsignedInfinite, flowExecutionContext: false);
        //如果已经完成了，就把这个销毁掉
        if (IsCompleted)
        {
            _timer.Close();
        }
    }
}

总结来说：
1.Thread.Sleep会让当前执行线程挂起一段时间，而在挂起的过程中，不能去干其他的事情，影响线程池对线程的调度，间接影响系统的并发性。
2.Task.Delay由创建定时队列消息，在指定时间之后由线程池去处理Callback，而在这指定时间内是由系统去调度的(这里可能我理解不对)，而当前执行线程可以继续干其他事情。

多线程和异步

Task任务默认情况下是通过线程池中的空闲线程去执行，除非设置LongRunning才会单独开启一个Thread去执行。一般来说多线程只是异步编程实现的一种方式，

• 多线程
  并行的处理一些任务，尤其是多核CPU，充分利用CPU的性能，增加任务的处理效率，如Paraller并行库等。
• 异步
  IO密集型操作：如Web应用在进行数据库操作，文件操作或者调用外部接口，发生磁盘IO或者网络IO时，如果非异步操作，会使当前执行线程一直保持等待事件的完成，而不做其他的处理，导致资源被浪费。如果是异步操作，当前执行线程在出发IO操作后，线程不需要等待事件的完成再去操作，而可以由线程池调度执行其他的请求，那么当事件完成后，由操作系统硬件去通知，然后再有线程池去调度线程去执行。所以我们可以发现在执行异步方法时，await前和await后不一定是相同一个线程去执行，可能会切换线程(可以对比前后的线程Id)。
  CPU密集型操作：如进行大量的计算任务，需要CPU一直调度，我们在WinForm或者WPF中可能会有很深的体会。假如我们执行一个很复杂的计算任务，如果是同步的话，用户得一直等待计算完成，UI才会展示，如果是异步的话，用户不用等待计算完成，UI直接就正常显示和操作，而这部分计算由线程池提供的线程独立其执行，而不影响当前执行线程的操作。

Async和Await

一般来说我们使用Await和Async是一起使用的，但是它存在其传播性，它本身实际上是个语法糖，算是隐性的调用ContinueWith方法，在执行完成后继续执行其他任务，接下我们来解析下他是怎么执行的。我们看下如下代码：

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LANGUAGE-CSHARP

public async Task AA() {
    await Task.Delay(1000);
    Console.WriteLine("执行到我了");
}

实际上上面的代码在编译之后，会形成一个状态机(只有标识是async的才会被编译成状态机的形式)，具体代码如下(含注释),

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public class C
{
    [StructLayout(LayoutKind.Auto)]
    [CompilerGenerated]
    private struct <AA>d__0 : IAsyncStateMachine  //所有的异步方法都继承自它
    {
        //初始值是-1
        public int <>1__state;
        //异步任务方法构造器
        public AsyncTaskMethodBuilder <>t__builder;

        private TaskAwaiter <>u__1;

        private void MoveNext()
        {
            int num = <>1__state;
            try
            {
                TaskAwaiter awaiter;
                if (num != 0)
                {    
                    //在有标识await的地方，会调用对应Task的GetAwaiter()方法，但是它还是会以当前执行线程去调用Task.Delay。
                    awaiter = Task.Delay(1000).GetAwaiter();
                    //当await是未完成状态
                    if (!awaiter.IsCompleted)
                    {
                        num = (<>1__state = 0);
                        <>u__1 = awaiter;
                        //重点是这个方法，里面实际上是执行了ContinueWith,而在Task执行完成之后，又调用其MoveNext方法(这时候可能是不同的线程去执行的)。
                        <>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);
                        return;
                    }
                }
                else
                {
                    awaiter = <>u__1;
                    <>u__1 = default(TaskAwaiter);
                    num = (<>1__state = -1);
                }
                awaiter.GetResult();
                //在获取到值之后，继续执行await后面的代码
                Console.WriteLine("执行到我了");
            }
            catch (Exception exception)
            {
                <>1__state = -2;
                <>t__builder.SetException(exception);
                return;
            }
            <>1__state = -2;
            <>t__builder.SetResult();
        }

        void IAsyncStateMachine.MoveNext()
        {
            this.MoveNext();
        }
    }
    
    //AA整个异步方法被编译成这样
    [AsyncStateMachine(typeof(<AA>d__0))]
    public Task AA()
    {
        //构建状态机
        <AA>d__0 stateMachine = default(<AA>d__0);
        //创建异步任务方法构造器
        stateMachine.<>t__builder = AsyncTaskMethodBuilder.Create();
        stateMachine.<>1__state = -1;
        //执行Start方法
        stateMachine.<>t__builder.Start(ref stateMachine);
        //返回当前Task
        return stateMachine.<>t__builder.Task;
    }
}

我们来看AA异步方法，被编译成一个完全不同的方法，在d__0中有一个MoveNext方法，来执行Task和原来await后面的代码。
AA方法中stateMachine.<>t__builder.Start(ref stateMachine);我们看一下到底执行了什么，如下：

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LANGUAGE-CSHARP

public struct AsyncTaskMethodBuilder<TResult>
{
    [DebuggerStepThrough]
    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public void Start<TStateMachine>(ref TStateMachine stateMachine) where TStateMachine : IAsyncStateMachine =>
        AsyncMethodBuilderCore.Start(ref stateMachine);
}

internal static class AsyncMethodBuilderCore 
{
    [DebuggerStepThrough]
    public static void Start<TStateMachine>(ref TStateMachine stateMachine) where TStateMachine : IAsyncStateMachine
    {
        if (stateMachine == null) // TStateMachines are generally non-nullable value types, so this check will be elided
        {
            ThrowHelper.ThrowArgumentNullException(ExceptionArgument.stateMachine);
        }

        Thread currentThread = Thread.CurrentThread;
        //当前线程的执行上下文
        ExecutionContext? previousExecutionCtx = currentThread._executionContext;
        //当前线程的同步上下文
        SynchronizationContext? previousSyncCtx = currentThread._synchronizationContext;

        try
        {    
            //这里当前执行线程开始执行状态机的MoveNext方法
            stateMachine.MoveNext();
        }
        finally
        {
            //此处省略，主要是防止上下文改变，设置上下文。
        }
    }
}

在MoveNext方法里面，我们继续看，如果当前Task的状态是未完成的话，那么会执行一个叫做AwaitUnsafeOnCompleted的方法，我们看如下代码：

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public struct AsyncTaskMethodBuilder<TResult>
{
    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveOptimization)] 
    internal static void AwaitUnsafeOnCompleted<TAwaiter>(
        ref TAwaiter awaiter, IAsyncStateMachineBox box)
        where TAwaiter : ICriticalNotifyCompletion
    {
        //一般来说当前await是TaskAwaiter继承自ITaskAwaiter，所以会计入这个判断
        if ((null != (object?)default(TAwaiter)) && (awaiter is ITaskAwaiter))
        {
            ref TaskAwaiter ta = ref Unsafe.As<TAwaiter, TaskAwaiter>(ref awaiter);
            //这个box，里面包含MoveNext方法。
            TaskAwaiter.UnsafeOnCompletedInternal(ta.m_task, box, continueOnCapturedContext: true);
        }
        //省略部分代码。。。
    }
}
public readonly struct TaskAwaiter : ICriticalNotifyCompletion, ITaskAwaiter
{
    internal static void UnsafeOnCompletedInternal(Task task, IAsyncStateMachineBox stateMachineBox, bool continueOnCapturedContext)
    {
        Debug.Assert(stateMachineBox != null);
        //这里省略了if判断
        else
        {
            //执行当前TaskContinuationForAwait,也就类似ContinuWith,当前的task的ContinuWith就是执行MoveNext方法
            task.UnsafeSetContinuationForAwait(stateMachineBox, continueOnCapturedContext);
        }
    }
}

总结来说：
1.带有Async的异步方法会在编译之后生成状态机。
2.当前执行线程会一直执行，把对应的MoveNext放到task的Continuation里面，也就是当作task完成的延续任务(回调事件)。
3.当前线程不是在执行异步任务的时候切换线程，而是一直执行方法内部，直到内部方法执行完成，所以我们在编写自定义的Task方法时，应该保证该方法能够进行立即的返回Task，不要执行过多的其他事情。
4.当发生线程切换时(也可能不切换)，其实是看线程池的调度，让哪个线程去执行对应的Callback(MoveNext方法)，所以我们有时候在调试时可以发现在await前和await之后其实可能不是一个线程id。
5.其实我们想一下WinForm和WPF的应用使用异步编写，其实当前执行线程已经返回了Task(异步方法编译后，是直接返回Task)，也就是说执行完了，所以没有造成阻塞，而后来UI上的还能显示对应的元素，是因为任务调度完成，由其他线程去执行了这个操作，而这个线程保持了执行上下文和同步上下文。

结果

1.从上述解析可以看出，当在BackgroundService中直接在While循环里面写Thread.Sleep,当前执行线程会一直执行这段代码，也就是卡到这个while了，具体到编译后的代码就是卡到stateMachine.<>t__builder.Start(ref stateMachine)，然后不会再继续往下执行了。
2.当我们使用async和await之后，并将Thread.Sleep替换为Task.Delay之后，当前方法就被编译成状态机，在当前线程执行到awaiter = Task.Delay(1000).GetAwaiter()之后，把当前MoveNext添加到这个Task的Continution，然后直接返回了Task，这样并不会阻塞当前线程继续往下执行，而后面的事情交给线程池空闲线程去执行。
3.如果我们不使用async和await的话，那么我们可以启动一个Task.Run(建议将TaskCreationOptions设置为LongRunning)，这样的话该方法直接返回了Task，也不会阻塞当前线程继续往下执行。
4.对于Thread.Sleep在异步编程中不建议使用，建议使用Task.Delay,这样线程能够被更有效的利用起来。

以上就是笔者的看法，因为篇幅问题，没有贴太多的代码，有兴趣的小伙伴可以去看看源码就了解了，总结的可能会有一些理解错误的地方，还请评论指正。

本文作者：SnailZz

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