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：

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：

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：

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：

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),

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：

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：

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。