C#与C++的发展历程第三 - C#5.0异步编程巅峰（一）

时间：2016-02-15 14:21 来源：互联网作者：源码搜藏收藏

C#5.0作为第五个C#的重要版本，将异步编程的易用度推向一个新的高峰。通过新增的async和await关键字，几乎可以使用编写同步代码的方式来编写异步代码。本文将重点介绍下新版C#的异步特性以及部分其他方面的改进。同时也将介绍WinRT程序一些异步编程的内容。

C#5.0作为第五个C#的重要版本，将异步编程的易用度推向一个新的高峰。通过新增的async和await关键字，几乎可以使用编写同步代码的方式来编写异步代码。

本文将重点介绍下新版C#的异步特性以及部分其他方面的改进。同时也将介绍WinRT程序一些异步编程的内容。

C# async/await异步编程

写async异步编程这部分内容之前看了好多文章，反复整理自己的思路，尽力保证文章的正确性。尽管如此仍然可能存在错误，请广大园友及时指出，感谢感谢。

异步编程不是一个新鲜的话题，最早期的C#版本也内建对异步编程的支持，当然在颜值上无法与目前基于TAP，使用async/await的异步编程相比。异步编程要解决的问题就是许多耗时的IO可能会阻塞线程导致CPU空转降低效率，或者一个长时间的后台任务会阻塞用户界面。通过将耗时任务异步执行来使系统有更高的吞吐量，或保持界面的响应能力。如界面在加载一幅来自网络的图像时，还运行用户进行其他操作。

按前文惯例先上一张图通览一下TAP模式下异步编程的方方面面，然后由异步编程的发展来讨论一下TAP异步模式。

C#与C++的发展历程第三 - C#5.0异步编程巅峰（一）

图1

APM

C# .NET最早出现的异步编程模式被称为APM(Asynchronous Programming Model)。这种模式主要由一对Begin/End开头的组成。BeginXXX方法用于启动一个耗时操作（需要异步执行的代码段），相应的调用EndXXX来结束BeginXXX方法开启的异步操作。BeginXXX方法和EndXXX方法之间的信息通过一个IAsyncResult对象来传递。这个对象是BeginXXX方法的返回值。如果直接调用EndXXX方法，则将以阻塞的方式去等待异步操作完成。另一种更好的方法是在BeginXXX倒数第二个参数指定的回调函数中调用EndXXX方法，这个回调函数将在异步操作完成时被触发，回调函数的第二个参数即EndXXX方法所需要的IAsyncResult对象。

.NET中一个典型的例子如System.Net命名空间中的HttpWebRequest类里的BeginGetResponse和EndGetResponse这对方法：

		
								IAsyncResult BeginGetResponse(AsyncCallback callback, object state)

								WebResponse EndGetResponse(IAsyncResult asyncResult)

由方法声明即可看出，它们符合前述的模式。

APM使用简单明了，虽然代码量稍多，但也在合理范围之内。APM两个最大的缺点是不支持进度报告以及不能方便的“取消”。

EAP

在C# .NET第二个版本中，增加了一种新的异步编程模型EAP(Event-based Asynchronous Pattern)，EAP模式的异步代码中，典型特征是一个Async结尾的方法和Completed结尾的事件。XXXCompleted事件将在异步处理完成时被触发，在事件的处理函数中可以操作异步方法的结果。往往在EAP代码中还会存在名为CancelAsync的方法用来取消异步操作，以及一个ProgressChenged结尾的事件用来汇报操作进度。通过这种方式支持取消和进度汇报也是EAP比APM更有优势的地方。通过后文TAP的介绍，你会发现EAP中取消机制没有可延续性，并且不是很通用。

.NET2.0中新增的BackgroundWorker可以看作EAP模式的一个例子。另一个使用EAP的例子是被HttpClient所取代的WebClient类（新代码应该使用HttpClient而不是WebClient）。WebClient类中通过DownloadStringAsync方法开启一个异步任务，并有DownloadStringCompleted事件供设置回调函数，还能通过CancelAsync方法取消异步任务。

TAP & async/await

从.NET4.0开始新增了一个名为TPL的库主要负责异步和并行操作的处理，目标就是使异步和并发操作有个统一的操作界面。TPL库的核心是Task类，有了Task几乎不用像之前版本的异步和并发那样去和Thread等底层类打交道，作为使用者的我们只需要处理好Task，Task背后有一个名为的TaskScheduler的类来处理Task在Thread上的执行。可以这样说TaskScheduler和Task就是.NET4.0中异步和并发操作的基础，也是我们写代码时不二的选择。

对于Task可以将其理解为一个包装委托对象（通常就是Action或Func对象）并执行的容器，从Task对象的创建就可以看出：

		
								Action action = () => Console.WriteLine("Hello World");

								Task task1 = new Task(action);

								Func<object, string> func = name => "Hello World" + name;

								Task<string> task2 = new Task<string>(func, "hystar" , CancellationToken.None,TaskCreationOptions.None );//接收object参数真蛋疼，很不容易区分重载，把参数都写上吧。

执行这个Task对象需要手动调用Start方法：

		
								task1.Start();

这样task对象将在默认的TaskScheduler调度下去执行，TaskScheduler使用线程池中的线程，至于是新建还是使用已有线程这个对用户是完全透明的。还也可以通过重载函数的参数传入自定义的TaskScheduler。

关于TaskScheduler的调度，推荐园子里这篇文章，前半部分介绍了一些线程执行机制，很值得一度。

当我们用new创建一个Task对象时，创建的对象是Created状态，调用Start方法后将变为WaitingToRun状态。至于什么时候开始执行（进入Running状态，由TaskScheduler控制，）。Task的创建执行还有一种“快捷方式”，即Run方法：

		
								Task.Run(() => Console.WriteLine("Hello World"));

								var txt = await Task<string>.Run(() => "Hello World");

这种方式创建的Task会直接进入WaitingToRun状态。

Task的其他状态还有RanToCompletion，Canceled以及Faulted。在到大RanToCompletion状态时就可以获得Task<T>类型任务的结果。如果Task在状态为Canceled的情况下结束，会抛出 OperationCanceledException。如果以Faulted状态结束，会抛出导致任务失败的异常。

Task同时服务于并发编程和异步编程（在Jeffrey Richter的CLR via C#中分别称这两种模式为计算限制的异步操作和IO限制的异步操作，仔细想想这称呼也很贴切），这里主要讨论下Task和异步编程的相关的机制。其中最关键的一点就是Task是一个awaitable对象，这是其可以用于异步编程的基础。除了Task，还有很多类型也是awaitable的，如ConfigureAwait方法返回的ConfiguredTaskAwaitable、WinRT平台中的IAsyncInfo（这个后文有详细说明）等。要成为一个awaitable类型需要符合哪些条件呢？其实就一点，其中有一个GetAwaiter()方法，该方法返回一个awaiter。那什么是awaiter对象呢？满足如下3点条件即可：

实现INotifyCompletion或ICriticalNotifyCompletion接口
有bool类型的IsCompleted属性
有一个GetResult()来返回结果，或是返回void

awaitable和awaiter的关系正如IEnumerable和IEnumerator的关系一样。推而广之，下面要介绍的async/await的幕后实现方式和处理yield语法糖的实现方式差不多。

Task类型的GetAwaiter()返回的awaiter是TaskAwaiter类型。这个TaskAwaiter很简单基本上就是刚刚满足上面介绍的awaiter的基本要求。类似于EAP，当异步操作执行完毕后，将通过OnCompleted参数设置的回调继续向下执行，并可以由GetResult获取执行结果。

简要了解过Task，再来看一下本节的重点 - async异步方法。async/await模式的异步也出来很久了，相关文章一大片，这里介绍下重点介绍下一些不容易理解和值得重点关注的点。我相信我曾经碰到的困惑也是很多人的遇到的困惑，写出来和大家共同探讨。

语法糖

对async/await有了解的朋友都知道这两个关键字最终会被编译为.NET中和异步相关的状态机的代码。这一部分来具体看一下这些代码，了解它们后我们可以更准确的去使用async/await同时也能理解这种模式下异常和取消是怎样完成的。

先来展示下用于分析反编译代码的例子，一个控制台项目的代码，这是能想到的展示异步方法最简单的例子了，而且和实际项目中常用的代码结构也差不太多：

		
								//实体类

								public class User

								{

								    public int Id { get; set; }

								    public string UserName { get; set; } = "hystar";

								    public string Email { get; set; }

								}

								class Program

								{

								    static void Main(string[] args)

								    {

								        var service = new Service(new Repository());

								        var name = service.GetUserName(1).Result;

								        Console.WriteLine(name);

								    }

								}

								public class Service

								{

								    private readonly Repository _repository;

								    public Service(Repository repository)

								    {

								        _repository = repository;

								    }

								    public async Task<string> GetUserName(int id)

								    {

								        var name = await _repository.GetById(id);

								        return name;

								    }

								}

								public class Repository

								{

								    private DbContext _dbContext;

								    private DbSet<User> _set;

								    public Repository()

								    {

								        _dbContext = new DbContext("");

								        _set = _dbContext.Set<User>();

								    }

								    public async Task<string> GetById(int id)

								    { 

								        //IO...

								        var user = await _set.FindAsync(id);

								        return user.UserName;

								    }

								}

注意：控制台版本的示例代码中在Main函数中使用了task.Result来获取异步结果，需要注意这是一种阻塞模式，在除控制台之外的UI环境不要使用类似Result属性这样会阻塞的方法，它们会导致UI线程死锁。而对于没有SynchronizationContext的控制台应用确是再合适不过了。对于没有返回值的Task，可以使用Wait()方法等待其完成。

这里使用ILSpy去查看反编译后的代码，而且注意要将ILSpy选项中的Decompile async methods (async/await)禁用（如下图），否则ILSpy会很智能将IL反编译为有async/await关键字的C#代码。另外我也尝试过Telerik JustDecompile等工具，但是能完整展示反编译出的状态机的只有ILSpy。

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