C# 異步編程中 await 實(shí)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(xì)介紹 await 的實(shí)現(xiàn)原理，包括狀態(tài)機(jī)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(biāo)記一個(gè)方法為異步方法，而 await 關(guān)鍵字用于等待一個(gè)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(shí)。
2. 示例異步方法
我們以一個(gè)簡單的異步方法為例，來詳細(xì)解釋 await 的實(shí)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(jī)
編譯器會(huì)為每個(gè)異步方法生成一個(gè)狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)機(jī)是一個(gè)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(jī)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(shí)現(xiàn)流程詳解
初始化狀態(tài)機(jī)
在 CalculateAsync 方法中，創(chuàng)建狀態(tài)機(jī)實(shí)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(shí)例，即 Example 類的實(shí)例。<>t__builder：創(chuàng)建 AsyncTaskMethodBuilder<int> 實(shí)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(huì)調(diào)用狀態(tài)機(jī)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)
{
}
}
catch (Exception exception)
{
<>1__state = -2;
<>t__builder.SetException(exception);
}
}
遇到 await
遇到第一個(gè) await 關(guān)鍵字時(shí)，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(huì)注冊一個(gè)回調(diào)，當(dāng)任務(wù)完成時(shí)，回調(diào)會(huì)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(gè)回調(diào)函數(shù)，該回調(diào)函數(shù)會(huì)在任務(wù)完成時(shí)被觸發(fā)。stateMachine.MoveNext 是一個(gè)委托，指向狀態(tài)機(jī)的 MoveNext 方法。
任務(wù)完成
當(dāng)任務(wù)完成時(shí)，回調(diào)會(huì)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(gè)
await 關(guān)鍵字時(shí)，重復(fù)上述步驟。
方法完成
當(dāng)所有異步操作完成并計(jì)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(gè)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(gè)新的 AsyncTaskMethodBuilder 實(shí)例。Start：開始執(zhí)行異步方法，調(diào)用狀態(tài)機(jī)的 MoveNext 方法。AwaitUnsafeOnCompleted：注冊回調(diào)函數(shù)，當(dāng)任務(wù)完成時(shí)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(shí)現(xiàn)
AsyncTaskMethodBuilder 內(nèi)部維護(hù)了一個(gè) Task 對象，用于表示異步操作的結(jié)果。當(dāng)異步方法完成時(shí)，SetResult 方法會(huì)設(shè)置任務(wù)的結(jié)果，SetException 方法會(huì)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(gè)階段：
- 初始化：創(chuàng)建狀態(tài)機(jī)實(shí)例，初始化狀態(tài)和任務(wù)構(gòu)建器。
- 開始執(zhí)行：調(diào)用
Start 方法開始執(zhí)行異步方法。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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(huì)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(gè)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(hù)。
8. 異步方法的注意事項(xiàng)
盡管 async 和 await 提供了許多優(yōu)勢，但在使用時(shí)也需要注意以下幾點(diǎn)：
- 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?yàn)樗鼰o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(huì)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(shí)，需要注意 Dispose 方法的調(diào)用時(shí)機(jī)。
9. 完整的流程圖
為了更好地理解這個(gè)過程，可以用流程圖來展示：
總結(jié)
通過上述詳細(xì)的解釋和示例代碼，我們可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)：
- 異步方法的基本概念：
async 和 await 關(guān)鍵字用于編寫異步代碼。 - 狀態(tài)機(jī)的生成：編譯器為每個(gè)異步方法生成一個(gè)狀態(tài)機(jī)，包含所有局部變量和狀態(tài)信息。
MoveNext 方法的執(zhí)行：MoveNext 方法是狀態(tài)機(jī)的核心，負(fù)責(zé)管理和執(zhí)行異步操作。- 回調(diào)函數(shù)的注冊和觸發(fā)：
- 當(dāng)遇到
await 關(guān)鍵字時(shí)，編譯器會(huì)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(shí)，回調(diào)函數(shù)會(huì)被觸發(fā)，重新調(diào)用狀態(tài)機(jī)的
MoveNext 方法，從而恢復(fù)異步方法的執(zhí)行。
AwaitUnsafeOnCompleted 方法的作用：在任務(wù)完成時(shí)注冊一個(gè)回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)會(huì)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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該文章在 2024/11/4 10:26:31 編輯過
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