还不知道C#中的异步迭代器？
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2021-01-11 20:21
今天来写写C#中的异步迭代器 - 机制、概念和一些好用的特性
迭代器的概念
迭代器的概念在C#中出现的比较早，很多人可能已经比较熟悉了。
通常迭代器会用在一些特定的场景中。
举个例子：有一个foreach循环：
foreach (var item in Sources)
{
Console.WriteLine(item);
}
这个循环实现了一个简单的功能：把Sources中的每一项在控制台中打印出来。
有时候，Sources可能会是一组完全缓存的数据，例如：List：
IEnumerable<string> Sources(int x)
{
var list = new List<string>();
for (int i = 0; i < 5; i++)
list.Add($"result from Sources, x={x}, result {i}");
return list;
}
这里会有一个小问题：在我们打印Sources的第一个的数据之前，要先运行完整运行Sources()方法来准备数据，在实际应用中，这可能会花费大量时间和内存。更有甚者，Sources可能是一个无边界的列表，或者不定长的开放式列表，比方一次只处理一个数据项目的队列，或者本身没有逻辑结束的队列。
这种情况，C#给出了一个很好的迭代器解决：
IEnumerable<string> Sources(int x)
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
yield return $"result from Sources, x={x}, result {i}";
}
这个方式的工作原理与上一段代码很像，但有一些根本的区别 - 我们没有用缓存，而只是每次让一个元素可用。
为了帮助理解，来看看foreach在编译器中的解释：
using (var iter = Sources.GetEnumerator())
{
while (iter.MoveNext())
{
var item = iter.Current;
Console.WriteLine(item);
}
}
当然，这个是省略掉很多东西后的概念解释，我们不纠结这个细节。但大体的意思是这样的：编译器对传递给foreach的表达式调用GetEnumerator()，然后用一个循环去检查是否有下一个数据（MoveNext()），在得到肯定答案后，前进并访问Current属性。而这个属性代表了前进到的元素。
上面这个例子，我们通过MoveNext()/Current方式访问了一个没有大小限制的向前的列表。我们还用到了yield迭代器这个很复杂的东西 - 至少我是这么认为的。
我们把上面的例子中的yield去掉，改写一下看看：
IEnumerable<string> Sources(int x) => new GeneratedEnumerable(x);
class GeneratedEnumerable : IEnumerable<string>
{
private int x;
public GeneratedEnumerable(int x) => this.x = x;
public IEnumerator<string> GetEnumerator() => new GeneratedEnumerator(x);
IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator() => GetEnumerator();
}
class GeneratedEnumerator : IEnumerator<string>
{
private int x, i;
public GeneratedEnumerator(int x) => this.x = x;
public string Current { get; private set; }
object IEnumerator.Current => Current;
public void Dispose() { }
public bool MoveNext()
{
if (i < 5)
{
Current = $"result from Sources, x={x}, result {i}";
i++;
return true;
}
else
{
return false;
}
}
void IEnumerator.Reset() => throw new NotSupportedException();
}
这样写完，对照上面的yield迭代器，理解工作过程就比较容易了：
首先，我们给出一个对象
IEnumerable。注意，IEnumerable和IEnumerator是不同的。当我们调用
Sources时，就创建了GeneratedEnumerable。它存储状态参数x，并公开了需要的IEnumerable方法。后面，在需要
foreach迭代数据时，会调用GetEnumerator()，而它又调用GeneratedEnumerator以充当数据上的游标。MoveNext()方法逻辑上实现了for循环，只不过，每次调用MoveNext()只执行一步。更多的数据会通过Current回传过来。另外补充一点：MoveNext()方法中的return false对应于yield break关键字，用于终止迭代。
是不是好理解了？
下面说说异步中的迭代器。
异步中的迭代器
上面的迭代，是同步的过程。而现在Dotnet开发工作更倾向于异步，使用async/await来做，特别是在提高服务器的可伸缩性方面应用特别多。
上面的代码最大的问题，在于MoveNext()。很明显，这是个同步的方法。如果它运行需要一段时间，那线程就会被阻塞。这会让代码执行过程变得不可接受。
我们能做得最接近的方法是异步获取数据：
async Taskstring>> Sources(int x) {...}
但是，异步获取数据并不能解决数据缓存延迟的问题。
好在，C#为此特意增加了对异步迭代器的支持：
public interface IAsyncEnumerable
{
IAsyncEnumerator GetAsyncEnumerator(CancellationToken cancellationToken = default);
}
public interface IAsyncEnumerator : IAsyncDisposable
{
T Current { get; }
ValueTask<bool> MoveNextAsync();
}
public interface IAsyncDisposable
{
ValueTask DisposeAsync();
}
注意，从.NET Standard 2.1和.NET Core 3.0开始，异步迭代器已经包含在框架中了。而在早期版本中，需要手动引入：
# dotnet add package Microsoft.Bcl.AsyncInterfaces
目前这个包的版本号是5.0.0。
还是上面例子的逻辑：
IAsyncEnumerable<string> Source(int x) => throw new NotImplementedException();
看看foreach可以await后的样子：
await foreach (var item in Sources)
{
Console.WriteLine(item);
}
编译器会将它解释为：
await using (var iter = Sources.GetAsyncEnumerator())
{
while (await iter.MoveNextAsync())
{
var item = iter.Current;
Console.WriteLine(item);
}
}
这儿有个新东西：await using。与using用法相同，但释放时会调用DisposeAsync，而不是Dispose，包括回收清理也是异步的。
这段代码其实跟前边的同步版本非常相似，只是增加了await。但是，编译器会分解并重写异步状态机，它就变成异步的了。原理不细说了，不是本文关注的内容。
那么，带有yield的迭代器如何异步呢？看代码：
async IAsyncEnumerable<string> Sources(int x)
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
await Task.Delay(100); // 这儿模拟异步延迟
yield return $"result from Sources, x={x}, result {i}";
}
}
嗯，看着就舒服。
这就完了？图样图森破。异步有一个很重要的特性：取消。
那么，怎么取消异步迭代？
异步迭代的取消
异步方法通过CancellationToken来支持取消。异步迭代也不例外。看看上面IAsyncEnumerator的定义，取消标志也被传递到了GetAsyncEnumerator()方法中。
那么，如果是手工循环呢？我们可以这样写：
await foreach (var item in Sources.WithCancellation(cancellationToken).ConfigureAwait(false))
{
Console.WriteLine(item);
}
这个写法等同于：
var iter = Sources.GetAsyncEnumerator(cancellationToken);
await using (iter.ConfigureAwait(false))
{
while (await iter.MoveNextAsync().ConfigureAwait(false))
{
var item = iter.Current;
Console.WriteLine(item);
}
}
没错，ConfigureAwait也适用于DisposeAsync()。所以最后就变成了：
await iter.DisposeAsync().ConfigureAwait(false);
异步迭代的取消捕获做完了，接下来怎么用呢？
看代码：
IAsyncEnumerable<string> Sources(int x) => new SourcesEnumerable(x);
class SourcesEnumerable : IAsyncEnumerable<string>
{
private int x;
public SourcesEnumerable(int x) => this.x = x;
public async IAsyncEnumerator<string> GetAsyncEnumerator(CancellationToken cancellationToken = default)
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
await Task.Delay(100, cancellationToken); // 模拟异步延迟
yield return $"result from Sources, x={x}, result {i}";
}
}
}
如果有CancellationToken通过WithCancellation传过来，迭代器会在正确的时间被取消 - 包括异步获取数据期间（例子中的Task.Delay期间）。当然我们还可以在迭代器中任何一个位置检查IsCancellationRequested或调用ThrowIfCancellationRequested()。
此外，编译器也会通过[EnumeratorCancellation]来完成这个任务，所以我们还可以这样写：
async IAsyncEnumerable<string> Sources(int x, [EnumeratorCancellation] CancellationToken cancellationToken = default)
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
await Task.Delay(100, cancellationToken); // 模拟异步延迟
yield return $"result from Sources, x={x}, result {i}";
}
}
这个写法与上面的代码其实是一样的，区别在于加了一个参数。
实际应用中，我们有下面几种写法上的选择：
// 不取消
await foreach (var item in Sources)
// 通过WithCancellation取消
await foreach (var item in Sources.WithCancellation(cancellationToken))
// 通过SourcesAsync取消
await foreach (var item in SourcesAsync(cancellationToken))
// 通过SourcesAsync和WithCancellation取消
await foreach (var item in SourcesAsync(cancellationToken).WithCancellation(cancellationToken))
// 通过不同的Token取消
await foreach (var item in SourcesAsync(tokenA).WithCancellation(tokenB))
几种方式区别于应用场景，实质上没有区别。对两个Token的方式，任何一个Token被取消时，任务会被取消。
总结
同步迭代其实在各个代码中用的都比较多，但异步迭代用得很好。一方面，这是个相对新的东西，另一方面，是会有点绕，所以很多人都不敢碰。
今天这个，也是个人的一些经验总结，希望对大家理解迭代能有所帮助。
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