C# async/await异步编程深入理解

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>(1); //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(10000); //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 <>9 = new Program.<>c();
            public static Func<bool> <>9__1_0;
            internal bool <GetInfoAsync>b__1_0()
            {
                Thread.Sleep(10000);
                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 != 0)
                    {
                        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.<>9.<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 = 0;
                            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 = -1;
                    }
                    this.<>s__3 = awaiter.GetResult();
                    this.<result>5__2 = this.<>s__3;
                    Console.WriteLine(this.<result>5__2);
                }
                catch (Exception exception)
                {
                    this.<>1__state = -2;
                    this.<>t__builder.SetException(exception);
                    return;
                }
                this.<>1__state = -2;
                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 = -1;
            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();
    }
}

剖析MoveNext

 对比IDE中的代码, 如下所示:

总结

await等待的是任务的操作值, 最终返回是异步操作的返回结果。而这一切都是因为编译器创建了一系列复杂的状态机制, 以达到其实现。