[C#.NET 拾遗补漏]15：异步编程基础

现代应用程序广泛使用文件和网络 I/O。I/O 相关 API 传统上默认是阻塞的，导致用户体验和硬件利用率不佳，此类问题的学习和编码的难度也较大。而今基于 Task 的异步 API 和语言级异步编程模式颠覆了传统模式，使得异步编程非常简单，几乎没有新的概念需要学习。

异步代码有如下特点：

• 在等待 I/O 请求返回的过程中，通过让出线程来处理更多的服务器请求。

• 通过在等待 I/O 请求时让出线程进行 UI 交互，并将长期运行的工作过渡到其他 CPU，使用户界面的响应性更强。

• 许多较新的 .NET API 都是异步的。

• 在 .NET 中编写异步代码很容易。

使用 .NET 基于 Task 的异步模型可以直接编写 I/O 和 CPU 受限的异步代码。该模型围绕着Task和Task<T>类型以及 C# 的async和await关键字展开。本文将讲解如何使用 .NET 异步编程及一些相关基础知识。

Task 和 Task<T>

Task 是 Promise 模型的实现。简单说，它给出“承诺”：会在稍后完成工作。而 .NET 的 Task 是为了简化使用“承诺”而设计的 API。

Task 表示不返回值的操作， Task<T> 表示返回T类型的值的操作。

重要的是要把 Task 理解为发起异步工作的抽象，而不是对线程的抽象。默认情况下，Task 在当前线程上执行，并酌情将工作委托给操作系统。可以选择通过Task.RunAPI 明确要求任务在单独的线程上运行。

Task 提供了一个 API 协议，用于监视、等待和访问任务的结果值。比如，通过await关键字等待任务执行完成，为使用 Task 提供了更高层次的抽象。

使用 await 允许你在任务运行期间执行其它有用的工作，将控制权交给其调用者，直到任务完成。你不再需要依赖回调或事件来在任务完成后继续执行后续工作。

I/O 受限异步操作

下面示例代码演示了一个典型的异步 I/O 调用操作：

public Task<string> GetHtmlAsync()
{
    // 此处是同步执行
    var client = new HttpClient();
    return client.GetStringAsync("https://www.dotnetfoundation.org");
}

这个例子调用了一个异步方法，并返回了一个活动的 Task，它很可能还没有完成。

下面第二个代码示例增加了async和await关键字对任务进行操作：

public async Task<string> GetFirstCharactersCountAsync(string url, int count)
{
    // 此处是同步执行
    var client = new HttpClient();

    // 此处 await 挂起代码的执行，把控制权交出去（线程可以去做别的事情）
    var page = await client.GetStringAsync("https://www.dotnetfoundation.org");

    // 任务完成后恢复了控制权，继续执行后续代码
    // 此处回到了同步执行

    if (count > page.Length)
    {
        return page;
    }
    else
    {
        return page.Substring(0, count);
    }
}

使用 await 关键字告诉当前上下文赶紧生成快照并交出控制权，异步任务执行完成后会带着返回值去线程池排队等待可用线程，等到可用线程后，恢复上下文，线程继续执行后续代码。

GetStringAsync() 方法的内部通过底层 .NET 库调用资源(也许会调用其他异步方法)，一直到 P/Invoke 互操作调用本地(Native)网络库。本地库随后可能会调用到一个系统 API(如 Linux 上 Socket 的write()API)。Task 对象将通过层层传递，最终返回给初始调用者。

在整个过程中，关键的一点是，没有一个线程是专门用来处理任务的。虽然工作是在某种上下文中执行的（操作系统确实要把数据传递给设备驱动程序并中断响应），但没有线程专门用来等待请求的数据回返回。这使得系统可以处理更大的工作量，而不是干等着某个 I/O 调用完成。

虽然上面的工作看似很多，但与实际 I/O 工作所需的时间相比，简直微不足道。用一条不太精确的时间线来表示，大概是这样的：

0-1--------------------2-3

从0到1所花费的时间是await交出控制权之前所花的时间。从1到2花费的时间是GetStringAsync方法花费在 I/O 上的时间，没有 CPU 成本。最后，从2到3花费的时间是上下文重新获取控制权后继续执行的时间。

CPU 受限异步操作

CPU 受限的异步代码与 I/O 受限的异步代码有些不同。因为工作是在 CPU 上完成的，所以没有办法绕开专门的线程来进行计算。使用 async 和 await 只是为你提供了一种干净的方式来与后台线程进行交互。请注意，这并不能为共享数据提供加锁保护，如果你正在使用共享数据，仍然需要使用适当的同步策略。

下面是一个 CPU 受限的异步调用：

public async Task<int> CalculateResult(InputData data)
{
    // 在线程池排队获取线程来处理任务
    var expensiveResultTask = Task.Run(() => DoExpensiveCalculation(data));

    // 此时此处，你可以并行地处理其它工作

    var result = await expensiveResultTask;

    return result;
}

CalculateResult方法在它被调用的线程（一般可以定义为主线程）上执行。当它调用Task.Run时，会在线程池上排队执行 CPU 受限操作 DoExpensiveCalculation，并接收一个Task<int>句柄。DoExpensiveCalculation会在下一个可用的线程上并行运行，很可能是在另一个 CPU 核上。和 I/O 受限异步调用一样，一旦遇到await，CalculateResult的控制权就会被交给它的调用者，这样在DoExpensiveCalculation返回结果的时候，结果就会被安排在主线程上排队运行。

对于开发者，CUP 受限和 I/O 受限的在调用方式上没什么区别。区别在于所调用资源性质的不同，不必关心底层对不同资源的调用的具体逻辑。编写代码需要考虑的是，对于 CUP 受限的异步任务，根据实际情况考虑是否需要使其和其它任务并行执行，以加快程序的整体运行时间。

异步编程模式

最后简单回顾一下 .NET 历史上提供的三种执行异步操作的模式。

• 基于任务的异步模式（Task-based Asynchronous Pattern，TAP），它使用单一的方法来表示异步操作的启动和完成。TAP 是在 .NET Framework 4 中引入的。它是 .NET 中异步编程的推荐方法。C# 中的 async 和 await 关键字为 TAP 添加了语言支持。

• 基于事件的异步模式（Event-based Asynchronous Pattern，EAP），这是基于事件的传统模式，用于提供异步行为。它需要一个具有 Async 后缀的方法和一个或多个事件。EAP 是在 .NET Framework 2.0 中引入的。它不再被推荐用于新的开发。

• 异步编程模式（Asynchronous Programming Model，APM）模式，也称为 IAsyncResult 模式，这是使用 IAsyncResult 接口提供异步行为的传统模式。在这种模式中，需要Begin和End方法同步操作（例如，BeginWrite和EndWrite来实现异步写操作）。这种模式也不再推荐用于新的开发。

下面简单举例对三种模式进行比较。

假设有一个 Read 方法，该方法从指定的偏移量开始将指定数量的数据读入提供的缓冲区：

public class MyClass
{
    public int Read(byte [] buffer, int offset, int count);
}

若用 TAP 异步模式来改写，该方法将是简单的一个 ReadAsync 方法：

public class MyClass
{
    public Task<int> ReadAsync(byte [] buffer, int offset, int count);
}

若使用 EAP 异步模式，需要额外多定义一些类型和成员：

public class MyClass
{
    public void ReadAsync(byte [] buffer, int offset, int count);
    public event ReadCompletedEventHandler ReadCompleted;
}

public delegate void ReadCompletedEventHandler(
    object sender, ReadCompletedEventArgs e);

public class ReadCompletedEventArgs : AsyncCompletedEventArgs
{
    public MyReturnType Result { get; }
}

若使用 AMP 异步模式，则需要定义两个方法，一个用于开始执行异步操作，一个用于接收异步操作结果：

public class MyClass
{
    public IAsyncResult BeginRead(
        byte [] buffer, int offset, int count,
        AsyncCallback callback, object state);
    public int EndRead(IAsyncResult asyncResult);
}

后两种异步模式已经过时不推荐使用了，这里也不再继续探讨。岁数大点的 .NET 程序员可能比较熟悉后两种异步模式，毕竟那时候没有 async/await，应该没少折腾。