C# 高级：TAP 异步编程

.NET大牛之路 • 王亮@精致码农 • 2021.10.12

我们的应用程序广泛使用文件和网络 I/O 操作，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，此类问题的编码难度也较大。

解决此类问题需要使用异步编程，异步强调的是非阻塞，是一种编程模式，主要解决了因文件、网络等 I/O 操作阻塞主线程工作的问题，比如阻塞期间 UI 无法响应问题。

而异步编程又可以借助多线程技术来解决。前面我们讲了基于 System.Threading 命名空间的多线程编程，该命名空间提供的类型是直接和线程相关的 API，虽然可以用来实现异步操作，但有些繁琐。随着 .NET 的发展，.NET 对多线程编程相继做了进一步的抽象封装，引入了 System.Threading.Tasks 命名空间，使多线程异步编程更简单易懂。

异步编程主要有如下用途：

• 在等待 I/O 请求返回的过程中，通过让出线程使其能处理更多的服务器请求。

• 在等待 I/O 请求时让出线程使其继续进行 UI 交互，并将需要长时间运行的工作过渡到其他 CPU 线程，使用户界面的响应性更强。

使用 .NET 基于 Task 的异步模型可以直接编写 I/O 受限和 CPU 受限的异步代码。该模型围绕着 Task 和 Task 类型以及 C# 的 async 和 await 关键字展开。本文将讲解如何使用 .NET 异步编程及一些常见的异步编程操作。

1Task 和 Task

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

Task 表示不返回值的操作，Task 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.Run API 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，将线程的控制权交给其它调用者，直到自己的任务完成。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。

2Task 的状态

虽然实际 TAP 编程中很少使用到 Task 的状态，但它是很多异步操作机理的基础。Task 类为异步操作提供了一个生命周期，这个周期由 TaskStatus 枚举表示，它有如下值：

public enum TaskStatus
{
    Created = 0,
    WaitingForActivation = 1,
    WaitingToRun = 2,
    Running = 3,
    WaitingForChildrenToComplete = 4,
    RanToCompletion = 5,
    Canceled = 6,
    Faulted = 7
}

其中 Canceled、Faulted 和 RanToCompletion 状态一起被认为是任务的最终状态。因此，如果任务处于最终状态，则其 IsCompleted 属性为 true 值。

3I/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。

4CPU 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，CPU 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 CPU 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。

5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。年长的 .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。

下面来介绍几个常见的基于 TAP 的异步操作。

6手动控制任务启动

为了支持手动控制任务启动，并支持构造与调用的分离，Task 类提供了一个 Start 方法。由 Task 构造函数创建的任务被称为冷任务，因为它们的生命周期处于 Created 状态，只有该实例的 Start 方法被调用才会启动。

任务状态平时用的情况不多，一般我们在封装一个任务相关的方法时，可能会用到。比如下面这个例子，需要判断某任务满足一定条件才启动：

static void Main(string[] args)
{
    MyTask t = new(() =>
    {
        // do something.
    });

    StartMyTask(t);

    Console.ReadKey();
}

public static void StartMyTask(MyTask t)
{
    if (t.Status == TaskStatus.Created && t.Counter>10)
    {
        t.Start();
    }
    else
    {
        // 这里模拟计数业务代码，直到 Counter>10 再执行 Start
        while (t.Counter <= 10)
        {
            // Do something
            t.Counter++；
        }
        t.Start();
    }
}

public class MyTask : Task
{
    public MyTask(Action action) : base(action)
    {
    }

    public int Counter { get; set; }
}

同样，TaskStatus.Created 状态以外的状态，我们叫它热任务，热任务一定是被调用了 Start 方法激活过的。

7确保任务已激活

注意，所有从 TAP 方法返回的任务都必须被激活，比如下面这样的代码：

MyTask task = new(() =>
{
    Console.WriteLine("Do something.");
});

// 在其它地方调用
await task;

在 await 之前，任务没有执行 Task.Start 激活，await 时程序就会一直等待下去。所以如果一个 TAP 方法内部使用 Task 构造函数来实例化要返回的 Task，那么 TAP 方法必须在返回 Task 对象之前对其调用 Start。

8任务取消

在 TAP 中，取消对于异步方法实现者和消费者来说都是可选的。如果一个操作允许取消，它就会暴露一个异步方法的重载，该方法接受一个取消令牌(CancellationToken 实例)。按照惯例，参数被命名为 cancellationToken。例如：

public Task ReadAsync(
    byte [] buffer, int offset, int count,
    CancellationToken cancellationToken)

异步操作会监控这个令牌是否有取消请求。如果收到取消请求，它可以选择取消操作，如下面的示例通过 while 来监控令牌的取消请求：

static void Main(string[] args)
{
    CancellationTokenSource source = new();
    CancellationToken token = source.Token;

    var task = DoWork(token);

    // 实际情况可能是在稍后的其它线程请求取消
    Thread.Sleep(100);
    source.Cancel();

    Console.WriteLine($"取消后任务返回的状态：{task.Status}");

    Console.ReadKey();
}

public static Task DoWork(CancellationToken cancellationToken)
{
    while (!cancellationToken.IsCancellationRequested)
    {
        // Do something.
        Thread.Sleep(1000);

        return Task.CompletedTask;
    }
    return Task.FromCanceled(cancellationToken);
}

如果取消请求导致工作提前结束，甚至还没有开始就收到请求取消，则 TAP 方法返回一个以 Canceled 状态结束的任务，它的 IsCompleted 属性为 true，且不会抛出异常。当任务在 Canceled 状态下完成时，任何在该任务注册的延续任务仍都会被调用和执行，除非指定了诸如 NotOnCanceled 这样的选项来选择不延续。

但是，如果在异步任务在工作时收到取消请求，异步操作也可以选择不立刻结束，而是等当前正在执行的工作完成后再结束，并返回 RanToCompletion 状态的任务；也可以终止当前工作并强制结束，根据实际业务情况和是否生产异常结果返回 Canceled 或 Faulted 状态。

对于不能被取消的业务方法，不要提供接受取消令牌的重载，这有助于向调用者表明目标方法是否可以取消。

9进度报告

几乎所有异步操作都可以提供进度通知，这些通知通常用于用异步操作的进度信息更新用户界面。

在 TAP 中，进度是通过 IProgress 接口来处理的，该接口作为一个参数传递给异步方法。下面是一个典型的的使用示例：

static void Main(string[] args)
{
    var progress = new Progress<int>(n =>
    {
        Console.WriteLine($"当前进度：{n}%");
    });

    var task = DoWork(progress);

    Console.ReadKey();
}

public static async Task DoWork(IProgress<int> progress)
{
    for (int i = 1; i <= 100; i++)
    {
        await Task.Delay(100);
        if (i % 10 == 0)
        {
            progress?.Report(i);
        };
    }
}

输出如下结果：

当前进度：10%
当前进度：20%
当前进度：30%
当前进度：40%
当前进度：50%
当前进度：60%
当前进度：70%
当前进度：80%
当前进度：90%
当前进度：100%

IProgress 接口支持不同的进度实现，这是由消费代码决定的。例如，消费代码可能只关心最新的进度更新，或者希望缓冲所有更新，或者希望为每个更新调用一个操作，等等。所有这些选项都可以通过使用该接口来实现，并根据特定消费者的需求进行定制。例如，如果本文前面的 ReadAsync 方法能够以当前读取的字节数的形式报告进度，那么进度回调可以是一个 IProgress 接口。

public Task ReadAsync(
    byte[] buffer, int offset, int count,
    IProgress<long> progress)

再如 FindFilesAsync 方法返回符合特定搜索模式的所有文件列表，进度回调可以提供工作完成的百分比和当前部分结果集，它可以用一个元组来提供这个信息。

public Task> FindFilesAsync(
    string pattern,
    IProgressdouble, ReadOnlyCollection>>> progress)

或使用 API 特有的数据类型：

public Task> FindFilesAsync(
    string pattern,
    IProgress progress)

如果 TAP 的实现提供了接受 IProgress 参数的重载，它们必须允许参数为空，在这种情况下，不会报告进度。IProgress 实例可以作为独立的对象，允许调用者决定如何以及在哪里处理这些进度信息。

10Task.Yield 让步

我们先来看一段 Task.Yield() 的代码：

Task.Run(async () =>
{
    for(int i=0; i<10; i++)
    {
        await Task.Yield();
        ...
    }
});

这里的 Task.Yield() 其实什么也没干，它返回的是一个空任务。那 await 一个什么也没做的空任务有什么用呢？

我们知道，对计算机来说，任务调度是根据一定的优先策略来安排线程去执行的。如果任务太多，线程不够用，任务就会进入排队状态。而 Yield 的作用就是让出等待的位置，让后面排除的任务先行。它字面上的意思就是让步，当任务做出让步时，其它任务就可以尽快被分配线程去执行。举个现实生活中的例子，就像你在排队办理业务时，好不容易到你了，但你的事情并不急，自愿让出位置，让其他人先办理，自己假装临时有事到外面溜一圈什么事也没干又回来重新排队。默默地做了一次大善人。

Task.Yield() 方法就是在异步方法中引入一个让步点。当代码执行到让步点时，就会让出控制权，去线程池外面兜一圈什么事也没干再回来重新排队。

11定制异步任务后续操作

我们可以对异步任务执行完成的后续操作进行定制。常见的两个方法是 ConfigureAwait 和 ContinueWith。

ConfigureAwait

我们先来看一段 Windows Form 中的代码：

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    var content = CurlAsync().Result;
    ...
}

private async Task<string> CurlAsync()
{
    using (var client = new HttpClient())
    {
        return  await client.GetStringAsync("http://geekgist.com");
    }
}

想必大家都知道 CurlAsync().Result 这句代码在 Windows Form 程序中会造成死锁。原因是 UI 主线程执行到这句代码时，就开始等待异步任务的结果，处于阻塞状态。而异步任务执行完后回来准备找 UI 线程继续执行后面的代码时，却发现 UI 线程一直处于“忙碌”的状态，没空搭理回来的异步任务。这就造成了你等我，我又在等你的尴尬局面。

当然，这种死锁的情况只会在 Winform 和早期的 ASP.NET WebForm 中才会发生，在 Console 和 Web API 应用中不会生产死锁。

解决办法很简单，作为异步方法调用者，我们只需改用 await 即可：

private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    var content = await CurlAsync();
    ...
}

在异步方法内部，我们也可以调用任务的 ConfigureAwait(false) 方法来解决这个问题。如：

private async Task<string> CurlAsync()
{
    using (var client = new HttpClient())
    {
        return  await client
            .GetStringAsync("http://geekgist.com")
            .ConfigureAwait(false);
    }
}

虽然两种方法都可行，但如果作为异步方法提供者，比如封装一个通用库时，考虑到难免会有新手开发者会使用 CurlAsync().Result，为了提高通用库的容错性，我们就可能需要使用 ConfigureAwait 来做兼容。

ConfigureAwait(false) 的作用是告诉主线程，我要去远行了，你去做其它事情吧，不用等我。只要先确保一方不在一直等另一方，就能避免互相等待而造成死锁的情况。

ContinueWith

ContinueWith 方法很容易理解，就是字面上的意思。作用是在异步任务执行完成后，安排后续要执行的工作。示例代码：

private void Button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    var backgroundScheduler = TaskScheduler.Default;
    var uiScheduler = TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext();
    Task.Factory
        .StartNew(_ => DoBackgroundComputation(), backgroundScheduler)
        .ContinueWith(_ => UpdateUI(), uiScheduler)
        .ContinueWith(_ => DoAnotherBackgroundComputation(), backgroundScheduler)
        .ContinueWith(_ => UpdateUIAgain(), uiScheduler);
}

如上，可以一直链式的写下去，任务会按照顺序执行，一个执行完再继续执行下一个。若其中一个任务返回的状态是 Canceled 时，后续的任务也将被取消。这个方法有好些个重载，在实际用到的时候再查看文档即可。

12小结

System.Threading.Tasks 命名空间中关键的一个类是 Task 类，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。它使我们可以只关注业务层面要处理的任务，而不必关心和使用线程或线程池。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。本文还介绍了 .NET 异步编程模式，而我们现在主流用的都是 TAP 模式，最后本文罗列一些常见的异步操作。