.NET 中的 async/await 异步编程

前言

最近在学习Web Api框架的时候接触到了async/await,这个特性是.NET 4.5引入的,由于之前对于异步编程不是很了解,所以花费了一些时间学习一下相关的知识,并整理成这篇博客,如果在阅读的过程中发现不对的地方,欢迎大家指正。

同步编程与异步编程

通常情况下,我们写的C#代码就是同步的,运行在同一个线程中,从程序的第一行代码到最后一句代码顺序执行。而异步编程的核心是使用多线程,通过让不同的线程执行不同的任务,实现不同代码的并行运行。

前台线程与后台线程

关于多线程,早在.NET2.0时代,基础类库中就提供了Thread实现。默认情况下,实例化一个Thread创建的是前台线程,只要有前台线程在运行,应用程序的进程就一直处于运行状态,以控制台应用程序为例,在Main方法中实例化一个Thread,这个Main方法就会等待Thread线程执行完毕才退出。而对于后台线程,应用程序将不考虑其是否执行完毕,只要应用程序的主线程和前台线程执行完毕就可以退出,退出后所有的后台线程将被自动终止。来看代码应该更清楚一些:

运行上面的代码,可以看到DoRun2方法的打印信息“这是后台线程调用”将不会被显示出来,因为应用程序执行完主线程和前台线程后,就自动退出了,所有的后台线程将被自动终止。这里后台线程设置了等待1.5s,假如这个后台线程比前台线程或主线程提前执行完毕,对应的信息“这是后台线程调用”将可以被成功打印出来。

Task

.NET 4.0推出了新一代的多线程模型Task。async/await特性是与Task紧密相关的,所以在了解async/await前必须充分了解Task的使用。这里将以一个简单的Demo来看一下Task的使用,同时与Thread的创建方式做一下对比。

首先,必须明确一点是Task启动的线程是后台线程,不过可以通过在Main方法中调用task.Wait()方法,使应用程序等待task执行完毕。Task与Thread的一个重要区分点是:Task底层是使用线程池的,而Thread每次实例化都会创建一个新的线程。这里可以通过这段代码做一次验证:

运行代码,可以看到DoRun1()方法每次的Thread Id都是不同的,而DoRun2()方法的Thread Id是重复出现的。我们知道线程的创建和销毁是一个开销比较大的操作,Task.Run()每次执行将不会立即创建一个新线程,而是到CLR线程池查看是否有空闲的线程,有的话就取一个线程处理这个请求,处理完请求后再把线程放回线程池,这个线程也不会立即撤销,而是设置为空闲状态,可供线程池再次调度,从而减少开销。

Task<TResult>

Task<TResult>是Task的泛型版本,这两个之间的最大不同是Task<TResult>可以有一个返回值,看一下代码应该一目了然:

Task<TResult>的实例对象有一个Result属性,当在Main方法中调用task.Result的时候,将等待task执行完毕并得到返回值,这里的效果跟调用task.Wait()是一样的,只是多了一个返回值。

async/await 特性

经过前面的铺垫,终于迎来了这篇文章的主角async/await,还是先通过代码来感受一下这两个特性的使用。

首先来看一下async关键字。async用来修饰方法,表明这个方法是异步的,声明的方法的返回类型必须为:void或Task或Task<TResult>。返回类型为Task的异步方法中无需使用return返回值,而返回类型为Task<TResult>的异步方法中必须使用return返回一个TResult的值,如上述Demo中的异步方法返回一个int。

再来看一下await关键字。await必须用来修饰Task或Task<TResult>,而且只能出现在已经用async关键字修饰的异步方法中。

通常情况下,async/await必须成对出现才有意义,假如一个方法声明为async,但却没有使用await关键字,则这个方法在执行的时候就被当作同步方法,这时编译器也会抛出警告提示async修饰的方法中没有使用await,将被作为同步方法使用。了解了关键字async\await的特点后,我们来看一下上述Demo在控制台会输入什么吧。

输出的结果已经很明确地告诉我们整个执行流程了。GetLengthAsync异步方法刚开始是同步执行的,所以”GetLengthAsync Start”字符串会被打印出来,直到遇到第一个await关键字,真正的异步任务GetStringAsync开始执行,await相当于起到一个标记/唤醒点的作用,同时将控制权放回给Main方法,”Main方法做其他事情”字符串会被打印出来。之后由于Main方法需要访问到task.Result,所以就会等待异步方法GetLengthAsync的执行,而GetLengthAsync又等待GetStringAsync的执行,一旦GetStringAsync执行完毕,就会回到await GetStringAsync这个点上执行往下执行,这时”GetLengthAsync End”字符串就会被打印出来。

当然,我们也可以使用下面的方法完成上面控制台的输出。

对比两种方法,是不是async\await关键字的原理其实就是通过使用一个线程完成异步调用吗?答案是否定的。async关键字表明可以在方法内部使用await关键字,方法在执行到await前都是同步执行的,运行到await处就会挂起,并返回到Main方法中,直到await标记的Task执行完毕,才唤醒回到await点上,继续向下执行。更深入点的介绍可以查看文章末尾的参考文献。

async/await 实际应用

微软已经对一些基础类库的方法提供了异步实现,接下来将实现一个例子来介绍一下async/await的实际应用。

参考文献:<IIIustrated C# 2012>     关于async/await的FAQ

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