C# 異步編程中 await 實現(xiàn)原理詳解

在C#中，async 和 await 關(guān)鍵字用于編寫異步代碼。本文將詳細介紹 await 的實現(xiàn)原理，包括狀態(tài)機的生成、回調(diào)函數(shù)的注冊和觸發(fā)等關(guān)鍵步驟。

1. 異步方法的基本概念

在C#中，async 關(guān)鍵字標記一個方法為異步方法，而 await 關(guān)鍵字用于等待一個異步操作完成。異步方法可以提高程序的響應(yīng)性和性能，特別是在處理I/O操作和網(wǎng)絡(luò)請求時。

2. 示例異步方法

我們以一個簡單的異步方法為例，來詳細解釋 await 的實現(xiàn)原理。

public class Example
{
    public async Task<int> CalculateAsync()
    {
        int a = await Task.Run(() => 10);
        int b = await Task.Run(() => 20);
        return a + b;
    }
}

3. 編譯器生成的狀態(tài)機

編譯器會為每個異步方法生成一個狀態(tài)機。狀態(tài)機是一個結(jié)構(gòu)體，包含了異步方法的所有局部變量和狀態(tài)信息。

編譯器生成的狀態(tài)機類

public class Example
{
    public Task<int> CalculateAsync()
    {
        <CalculateAsync>d__0 stateMachine = new <CalculateAsync>d__0();
        stateMachine.<>4__this = this;
        stateMachine.<>t__builder = AsyncTaskMethodBuilder<int>.Create();
        stateMachine.<>1__state = -1;
        stateMachine.<>t__builder.Start(ref stateMachine);
        return stateMachine.<>t__builder.Task;
    }
    [StructLayout(LayoutKind.Auto)]
    [AsyncMethodBuilder(typeof(AsyncTaskMethodBuilder<int>))]
    private struct <CalculateAsync>d__0 : IAsyncStateMachine
    {
        public int <>1__state;
        public AsyncTaskMethodBuilder<int> <>t__builder;
        public Example <>4__this;
        public int <a>5__1;
        public TaskAwaiter<int> <>u__1;
        private void MoveNext()
        {
            int num = <>1__state;
            try
            {
                TaskAwaiter<int> awaiter;
                switch (num)
                {
                    case 0:
                        goto TR_0000;
                    case 1:
                        <>1__state = -1;
                        awaiter = <>u__1;
                        <>u__1 = default(TaskAwaiter<int>);
                        goto TR_0001;
                    case 2:
                        <>1__state = -1;
                        break;
                    default:
                        <>1__state = 0;
                        awaiter = Task.Run<int>(() => 10).GetAwaiter();
                        if (!awaiter.IsCompleted)
                        {
                            num = (<>1__state = 0);
                            <>u__1 = awaiter;
                            <>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);
                            return;
                        }
                        goto TR_0000;
                }
                TR_0000:
                <a>5__1 = awaiter.GetResult();
                awaiter = Task.Run<int>(() => 20).GetAwaiter();
                if (!awaiter.IsCompleted)
                {
                    num = (<>1__state = 1);
                    <>u__1 = awaiter;
                    <>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);
                    return;
                }
                TR_0001:
                int b = awaiter.GetResult();
                int result = <a>5__1 + b;
                <>1__state = -2;
                <>t__builder.SetResult(result);
            }
            catch (Exception exception)
            {
                <>1__state = -2;
                <>t__builder.SetException(exception);
            }
        }
        [DebuggerHidden]
        private void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine)
        {
        }
    }
}

4. 實現(xiàn)流程詳解

初始化狀態(tài)機

在 CalculateAsync 方法中，創(chuàng)建狀態(tài)機實例 <CalculateAsync>d__0。

<CalculateAsync>d__0 stateMachine = new <CalculateAsync>d__0();
stateMachine.<>4__this = this;
stateMachine.<>t__builder = AsyncTaskMethodBuilder<int>.Create();
stateMachine.<>1__state = -1;

• <>4__this：指向當(dāng)前實例，即 Example 類的實例。
• <>t__builder：創(chuàng)建 AsyncTaskMethodBuilder<int> 實例，用于管理任務(wù)的生命周期。
• <>1__state：初始化狀態(tài)為 -1，表示方法尚未開始執(zhí)行。

開始執(zhí)行

調(diào)用 Start 方法開始執(zhí)行異步方法。Start 方法會調(diào)用狀態(tài)機的 MoveNext 方法。

stateMachine.<>t__builder.Start(ref stateMachine);

執(zhí)行方法體

在 MoveNext 方法中，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài) <>1__state 執(zhí)行相應(yīng)的代碼。

private void MoveNext()
{
    int num = <>1__state;
    try
    {
        TaskAwaiter<int> awaiter;
        switch (num)
        {
            // 處理不同的狀態(tài)
        }
    }
    catch (Exception exception)
    {
        <>1__state = -2;
        <>t__builder.SetException(exception);
    }
}

遇到 await

遇到第一個 await 關(guān)鍵字時，調(diào)用 Task.Run(() => 10).GetAwaiter() 獲取 Awaiter 對象。

awaiter = Task.Run<int>(() => 10).GetAwaiter();

• 檢查 awaiter.IsCompleted，如果任務(wù)已經(jīng)完成，直接調(diào)用 awaiter.GetResult() 獲取結(jié)果。
• 如果任務(wù)未完成，記錄當(dāng)前狀態(tài) <>1__state，保存 awaiter 對象，并調(diào)用 <>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted 注冊回調(diào)。

if (!awaiter.IsCompleted)
{
    num = (<>1__state = 0);
    <>u__1 = awaiter;
    <>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);
    return;
}

注冊回調(diào)

AwaitUnsafeOnCompleted 方法會注冊一個回調(diào)，當(dāng)任務(wù)完成時，回調(diào)會被觸發(fā)。

public void AwaitUnsafeOnCompleted<TAwaiter, TStateMachine>(ref TAwaiter awaiter, ref TStateMachine stateMachine)
    where TAwaiter : ICriticalNotifyCompletion
    where TStateMachine : IAsyncStateMachine
{
    awaiter.UnsafeOnCompleted(stateMachine.MoveNext);
}

• awaiter.UnsafeOnCompleted 方法注冊一個回調(diào)函數(shù)，該回調(diào)函數(shù)會在任務(wù)完成時被觸發(fā)。
• stateMachine.MoveNext 是一個委托，指向狀態(tài)機的 MoveNext 方法。

任務(wù)完成

當(dāng)任務(wù)完成時，回調(diào)會被觸發(fā)，重新調(diào)用 MoveNext 方法，恢復(fù)異步方法的執(zhí)行。

public void OnCompleted(Action continuation)
{
    task.ContinueWith(_ => continuation(), TaskScheduler.Default);
}

繼續(xù)執(zhí)行

從上次暫停的地方繼續(xù)執(zhí)行方法體。

TR_0000:
<a>5__1 = awaiter.GetResult();
awaiter = Task.Run<int>(() => 20).GetAwaiter();
if (!awaiter.IsCompleted)
{
    num = (<>1__state = 1);
    <>u__1 = awaiter;
    <>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);
    return;
}

• 遇到第二個 await 關(guān)鍵字時，重復(fù)上述步驟。

方法完成

當(dāng)所有異步操作完成并計算出結(jié)果后，設(shè)置狀態(tài) <>1__state 為 -2，表示方法已經(jīng)完成。

int b = awaiter.GetResult();
int result = <a>5__1 + b;
<>1__state = -2;
<>t__builder.SetResult(result);

• 調(diào)用 <>t__builder.SetResult 設(shè)置任務(wù)的結(jié)果。
• 如果在執(zhí)行過程中拋出異常，捕獲異常并調(diào)用 <>t__builder.SetException 設(shè)置任務(wù)的異常。

catch (Exception exception)
{
    <>1__state = -2;
    <>t__builder.SetException(exception);
}

5. 深入理解 AsyncTaskMethodBuilder

AsyncTaskMethodBuilder 是一個輔助類，用于構(gòu)建和管理異步方法的任務(wù)。它提供了以下方法：

• Create：創(chuàng)建一個新的 AsyncTaskMethodBuilder 實例。
• Start：開始執(zhí)行異步方法，調(diào)用狀態(tài)機的 MoveNext 方法。
• AwaitUnsafeOnCompleted：注冊回調(diào)函數(shù)，當(dāng)任務(wù)完成時觸發(fā)回調(diào)。
• SetResult：設(shè)置任務(wù)的結(jié)果。
• SetException：設(shè)置任務(wù)的異常。

AsyncTaskMethodBuilder 的內(nèi)部實現(xiàn)

AsyncTaskMethodBuilder 內(nèi)部維護了一個 Task 對象，用于表示異步操作的結(jié)果。當(dāng)異步方法完成時，SetResult 方法會設(shè)置任務(wù)的結(jié)果，SetException 方法會設(shè)置任務(wù)的異常。

public struct AsyncTaskMethodBuilder<TResult>
{
    private Task<TResult> task;
    public static AsyncTaskMethodBuilder<TResult> Create()
    {
        return new AsyncTaskMethodBuilder<TResult>(new Task<TResult>());
    }
    private AsyncTaskMethodBuilder(Task<TResult> task)
    {
        this.task = task;
    }
    public void Start<TStateMachine>(ref TStateMachine stateMachine)
        where TStateMachine : IAsyncStateMachine
    {
        stateMachine.MoveNext();
    }
    public void AwaitOnCompleted<TAwaiter, TStateMachine>(ref TAwaiter awaiter, ref TStateMachine stateMachine)
        where TAwaiter : INotifyCompletion
        where TStateMachine : IAsyncStateMachine
    {
        awaiter.OnCompleted(stateMachine.MoveNext);
    }
    public void AwaitUnsafeOnCompleted<TAwaiter, TStateMachine>(ref TAwaiter awaiter, ref TStateMachine stateMachine)
        where TAwaiter : ICriticalNotifyCompletion
        where TStateMachine : IAsyncStateMachine
    {
        awaiter.UnsafeOnCompleted(stateMachine.MoveNext);
    }
    public void SetResult(TResult result)
    {
        task.SetResult(result);
    }
    public void SetException(Exception exception)
    {
        task.SetException(exception);
    }
    public Task<TResult> Task => task;
}

6. 異步方法的生命周期

異步方法的生命周期可以分為以下幾個階段：

1. 初始化：創(chuàng)建狀態(tài)機實例，初始化狀態(tài)和任務(wù)構(gòu)建器。
2. 開始執(zhí)行：調(diào)用 Start 方法開始執(zhí)行異步方法。
3. 執(zhí)行方法體：在 MoveNext 方法中，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的代碼。
4. 遇到 await：檢查任務(wù)是否完成，如果未完成則注冊回調(diào)并暫停方法執(zhí)行。
5. 任務(wù)完成：回調(diào)被觸發(fā)，重新調(diào)用 MoveNext 方法，恢復(fù)異步方法的執(zhí)行。
6. 方法完成：所有異步操作完成，設(shè)置任務(wù)的結(jié)果或異常。

7. 異步方法的優(yōu)勢

使用 async 和 await 編寫的異步方法有以下優(yōu)勢：

• 提高響應(yīng)性：異步方法不會阻塞主線程，應(yīng)用程序可以繼續(xù)響應(yīng)用戶的輸入和其他事件。
• 提高性能：異步方法可以并發(fā)執(zhí)行多個任務(wù)，充分利用系統(tǒng)資源。
• 簡化代碼：異步方法的代碼結(jié)構(gòu)類似于同步方法，易于理解和維護。

8. 異步方法的注意事項

盡管 async 和 await 提供了許多優(yōu)勢，但在使用時也需要注意以下幾點：

• 避免 async void：async void 方法主要用于事件處理程序，其他情況下應(yīng)避免使用，因為它無法被等待，并且異常處理較為困難。
• 異常處理：異步方法中的異常會被包裝在 AggregateException 中，需要特殊處理。
• 資源管理：異步方法中使用 using 語句時，需要注意 Dispose 方法的調(diào)用時機。

9. 完整的流程圖

為了更好地理解這個過程，可以用流程圖來展示：

總結(jié)

通過上述詳細的解釋和示例代碼，我們可以總結(jié)出以下幾點：

1. 異步方法的基本概念：async 和 await 關(guān)鍵字用于編寫異步代碼。
2. 狀態(tài)機的生成：編譯器為每個異步方法生成一個狀態(tài)機，包含所有局部變量和狀態(tài)信息。
3. MoveNext 方法的執(zhí)行：MoveNext 方法是狀態(tài)機的核心，負責(zé)管理和執(zhí)行異步操作。
4. 回調(diào)函數(shù)的注冊和觸發(fā)：
   • 當(dāng)遇到 await 關(guān)鍵字時，編譯器會生成代碼來檢查任務(wù)是否已經(jīng)完成。
   • 如果任務(wù)未完成，注冊回調(diào)并暫停方法執(zhí)行。
   • 當(dāng)任務(wù)完成時，回調(diào)函數(shù)會被觸發(fā)，重新調(diào)用狀態(tài)機的 MoveNext 方法，從而恢復(fù)異步方法的執(zhí)行。
5. AwaitUnsafeOnCompleted 方法的作用：在任務(wù)完成時注冊一個回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)會在任務(wù)完成后被觸發(fā)，從而恢復(fù)異步方法的執(zhí)行。

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