前言

上一篇我們著重講解了TPL任務(wù)并行庫(kù)，可以看出TPL已經(jīng)很符合現(xiàn)代API的特性：簡(jiǎn)潔易用。但它的不足之處在于，使用者難以理解程序的實(shí)際執(zhí)行順序。

為了解決這些問題，在C# 5.0中，引入了新的語言特性，被稱為異步函數(shù)(asynchronous function)。對(duì)應(yīng)的.Net版本為.Net Framework 4.5。

最后一個(gè)異步編程模型：異步函數(shù)

概述

由于異步函數(shù)為語言特性的實(shí)現(xiàn)，因此它的本質(zhì)依然屬于TPL模型，但提供了更高級(jí)別的抽象，真正簡(jiǎn)化了異步編程。抽象可以隱藏主要的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，使得開發(fā)人員無需考慮許多重要的事情，從而達(dá)到簡(jiǎn)化的效果。

在本文中，我們主要會(huì)講解異步函數(shù)的聲明和使用方式，以及在多種場(chǎng)景下使用異步函數(shù)，處理異常等。

聲明異步函數(shù)

聲明異步函數(shù)的方法很簡(jiǎn)單，只需使用async關(guān)鍵字標(biāo)注任意一個(gè)方法即可。需要注意的是，如果只使用了async標(biāo)注方法，而方法內(nèi)部未使用await，會(huì)導(dǎo)致編譯警告，如圖所示：

另一個(gè)重要的事實(shí)是，異步函數(shù)必須返回Task或Task<T>類型。也可使用async void，但不推薦，若使用async void方式， 異常處理及跟蹤將不由TPL模型處理，而是會(huì)直接在SynchronizationContext上引發(fā)，這樣會(huì)引起整個(gè)進(jìn)程的崩潰。因此通常會(huì)在UI層處理事件時(shí)，才會(huì)使用async void方式。

改寫后相關(guān)代碼示例如下：

using System; using System.Collections.Generic; using System.Linq; using System.Text; using System.Threading.Tasks;namespace asyncDemo {public class Utils{public async Task<string> GetStringAsync(){await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(2));return "Hello World!";}} }

這里我們執(zhí)行完await調(diào)用的代碼行后，會(huì)立即返回，而不是阻塞兩秒，如果是同步執(zhí)行則結(jié)果相反。當(dāng)執(zhí)行完await操作后，TPL會(huì)立即將工作線程放回線程池，我們的程序會(huì)進(jìn)行異步等待。直到2秒后，我們又一次從線程池中得到工作線程，并繼續(xù)運(yùn)行其中剩余的異步方法。這樣就允許我們?cè)诘却?秒時(shí)，可以重用工作線程來做其他事，提升了應(yīng)用程序的可伸縮性。

事實(shí)上，異步函數(shù)在編譯器后臺(tái)會(huì)被編譯成復(fù)雜的程序結(jié)構(gòu)，一般稱之為迭代器。迭代器的內(nèi)部是一種狀態(tài)機(jī)，由于狀態(tài)機(jī)的概念理解較為復(fù)雜，因此這里不再贅述。所以我們?cè)谌粘＞帉懘a時(shí)，并不需要將每一個(gè)方法都標(biāo)記為async，尤其是并不需要使用異步的方法。通過上述概念可知，濫用async會(huì)導(dǎo)致編譯器編譯時(shí)生成大量的迭代器，會(huì)有顯著的性能損失。

獲取異步任務(wù)結(jié)果

既然我們已經(jīng)了解了async-await本質(zhì)上依然為TPL模型，那么在使用TPL和await操作符獲取異步結(jié)果中有什么不同呢？此處我們可以通過實(shí)驗(yàn)來探究。

如圖所示，我們分別使用Task和await執(zhí)行：

二者都調(diào)用了同一個(gè)異步函數(shù)打印當(dāng)前線程的Id和狀態(tài)。

在第一個(gè)中啟動(dòng)了一個(gè)任務(wù)，運(yùn)行2秒后返回關(guān)于工作線程的信息。我們還定義了一個(gè)后續(xù)操作，用于在異步操作完成后，打印出操作結(jié)果；另一個(gè)后續(xù)操作用于有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，打印異常信息。最終返回一個(gè)代表其中一個(gè)后續(xù)操作任務(wù)的任務(wù)，并在Main中等待其執(zhí)行完成。

而在第二個(gè)中，我們直接使用await對(duì)任務(wù)進(jìn)行操作，獲取異步執(zhí)行的結(jié)果，同時(shí)使用try-catch代碼塊來捕獲可能發(fā)生的異常，這和我們編寫同步方法的代碼風(fēng)格是一致的，簡(jiǎn)化了程序編寫的復(fù)雜度。實(shí)際上在await之后編譯器創(chuàng)建了一個(gè)任務(wù)及后續(xù)操作，并處理了可能發(fā)生的異常信息。

相關(guān)代碼如下：

using System; using System.Collections.Generic; using System.Linq; using System.Text; using System.Threading; using System.Threading.Tasks;namespace asyncDemo {class Program{static void Main(string[] args){Task t = AsyncTPL();t.Wait();t = AsyncAwait();t.Wait();Console.Read();}static Task AsyncTPL(){Task<string> t = GetInfoAsync("任務(wù)1");Task t2 = t.ContinueWith(x => Console.WriteLine(t.Result), TaskContinuationOptions.NotOnFaulted);Task t3 = t.ContinueWith(x => Console.WriteLine(t.Exception.InnerException), TaskContinuationOptions.OnlyOnFaulted);return Task.WhenAny(t2, t3);}async static Task AsyncAwait(){try{string result = await GetInfoAsync("任務(wù)2");Console.WriteLine(result);}catch (Exception ex){Console.WriteLine(ex);}}async static Task<string> GetInfoAsync(string name){await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(2));return $"{name}的線程Id為:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},是否為線程池線程:" +$"{Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread}";}} }

運(yùn)行后，如圖所示：

從結(jié)果中我們可以看出，兩種操作的方式在概念上是等同的，但是第二種方式中編譯器隱式處理了異步相關(guān)的代碼，背后的邏輯更為復(fù)雜，我們?cè)诤罄m(xù)小節(jié)中會(huì)借助示例再詳細(xì)說明這些內(nèi)容。

多個(gè)連續(xù)的await

我們已經(jīng)得知了使用await的代碼行將會(huì)異步執(zhí)行，那么如果我們?cè)谕粋€(gè)async方法中使用多個(gè)連續(xù)的await，它們會(huì)并行異步執(zhí)行嗎？我們不妨一試。

如圖所示，我們依然定義TPL和Async函數(shù)進(jìn)行對(duì)比：

我們?cè)诙xAsyncAwait方法時(shí)，依然使用同步代碼的方式進(jìn)行書寫，唯一的不同之處是連續(xù)使用了兩個(gè)await聲明。

而在TPL方法中，則使用了一個(gè)容器任務(wù)，來處理所有相互依賴的任務(wù)。然后啟動(dòng)主任務(wù)，并為其添加一系列的后續(xù)操作。當(dāng)該任務(wù)完成時(shí)，會(huì)打印出其結(jié)果，然后再啟動(dòng)第二個(gè)任務(wù)，并拋出一個(gè)異常，打印出異常信息。

相關(guān)代碼如下：

using System; using System.Collections.Generic; using System.Linq; using System.Text; using System.Threading; using System.Threading.Tasks;namespace asyncDemo {class Program{static void Main(string[] args){Task t = AsyncTPL();t.Wait();t = AsyncAwait();t.Wait();Console.Read();}static Task AsyncTPL(){var continueTask = new Task(() =>{Task<string> t = GetInfoAsync("TPL1");t.ContinueWith(task =>{Console.WriteLine(t.Result);Task<string> t2 = GetInfoAsync("TPL2");t2.ContinueWith(innerTask =>Console.WriteLine(innerTask.Result),TaskContinuationOptions.NotOnFaulted | TaskContinuationOptions.AttachedToParent);t2.ContinueWith(innerTask =>Console.WriteLine(innerTask.Exception.InnerException),TaskContinuationOptions.OnlyOnFaulted | TaskContinuationOptions.AttachedToParent);},TaskContinuationOptions.NotOnFaulted | TaskContinuationOptions.AttachedToParent);t.ContinueWith(task =>Console.WriteLine(t.Exception.InnerException),TaskContinuationOptions.OnlyOnFaulted | TaskContinuationOptions.AttachedToParent);});continueTask.Start();return continueTask;}async static Task AsyncAwait(){try{string result = await GetInfoAsync("Async1");Console.WriteLine(result);result = await GetInfoAsync("Async2");Console.WriteLine(result);}catch (Exception ex){Console.WriteLine(ex);}}async static Task<string> GetInfoAsync(string name){Console.WriteLine($"{name} 開始執(zhí)行！");await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(2));if (name == "TPL2"){throw new Exception("發(fā)生異常！");}return $"{name}的線程Id為:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},是否為線程池線程:" +$"{Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread}";}} }

運(yùn)行后，執(zhí)行結(jié)果如圖所示：

我們從結(jié)果中可以看出，TPL的后續(xù)依賴任務(wù)會(huì)按照我們的書寫順序依次執(zhí)行，讓人訝異的是await，它并沒有并行執(zhí)行，而也是順序執(zhí)行的。Async2任務(wù)只有等Async1任務(wù)完成后才會(huì)開始執(zhí)行，但它為什么是異步程序呢？

事實(shí)上，它并不總是異步的，當(dāng)使用await時(shí)，如果一個(gè)任務(wù)已經(jīng)完成，我們會(huì)異步地得到相應(yīng)的任務(wù)結(jié)果。否則，在看到await聲明時(shí)，通常的行為是方法執(zhí)行到await代碼行應(yīng)立即返回，且剩下的代碼會(huì)在一個(gè)后續(xù)操作任務(wù)中執(zhí)行。因此等待操作結(jié)果時(shí)，并沒有阻塞程序執(zhí)行，這是一個(gè)異步調(diào)用。當(dāng)AsyncAwait方法中的代碼在執(zhí)行時(shí)，除了可以在Main中執(zhí)行t.Wait外，我們可以執(zhí)行其他任何任務(wù)。但主線程必須等待直到所有異步操作完成，否則主線程完成后會(huì)停止所有異步操作的后臺(tái)線程。

這兩段代碼中，如果要比較TPL和await，那么則是TPL方法的書寫更容易閱讀和理解，調(diào)用層次更為清晰，請(qǐng)記住一點(diǎn)，異步并不總是意味著并行執(zhí)行。

并行執(zhí)行的await

現(xiàn)在我們已經(jīng)得知了，異步并不總是并行的，那么它能不能通過某種手段或方式進(jìn)行并行操作呢？答案是可以的，我們一起看一下如何實(shí)現(xiàn)：

這里我們定義了2個(gè)不同的Task分別運(yùn)行3秒和5秒，然后使用Task.WhenAll來創(chuàng)建另一個(gè)任務(wù)，該任務(wù)只有在所有底層任務(wù)完成后才會(huì)執(zhí)行，之后我們等待所有任務(wù)的結(jié)果。

相關(guān)實(shí)現(xiàn)代碼如下：

using System; using System.Collections.Generic; using System.Linq; using System.Text; using System.Threading; using System.Threading.Tasks;namespace asyncDemo {class Program{static void Main(string[] args){Task t = AsyncProcessing();t.Wait();Console.Read();}async static Task AsyncProcessing(){Task<string> t1 = GetInfoAsync("任務(wù)1", 3);Task<string> t2 = GetInfoAsync("任務(wù)2", 5);string[] results = await Task.WhenAll(t1, t2);foreach (string result in results){Console.WriteLine(result);}}async static Task<string> GetInfoAsync(string name, int seconds){await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(seconds));//await Task.Run(() => Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds)));return $"{name}的線程Id為:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},是否為線程池線程:" +$"{Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread}";}} }

運(yùn)行后，結(jié)果如圖所示：

根據(jù)程序運(yùn)行的結(jié)果我們可以看到，5秒之后，我們獲取到了所有的結(jié)果，說明這些任務(wù)是同時(shí)運(yùn)行的。這里還有一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，兩個(gè)任務(wù)是被同一個(gè)線程池中的工作線程執(zhí)行的，為什么會(huì)這樣呢？這時(shí)候我們可以注釋掉Task.Delay這行代碼，并取消對(duì)Task.Run的注釋，再次運(yùn)行后，結(jié)果如圖所示：

此時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)任務(wù)會(huì)被不同的工作線程執(zhí)行。

造成這種情況的原因是Task.Delay在幕后使用了一個(gè)計(jì)時(shí)器，它的執(zhí)行過程如下：

1、從線程池中獲取工作線程，它將等待Task.Delay返回結(jié)果；

2、Task.Delay方法啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，并指定一塊代碼，該代碼會(huì)在計(jì)時(shí)器到了Task.Delay中指定的時(shí)間后進(jìn)行調(diào)用，之后立即將工作線程返回線程池中；

3、當(dāng)計(jì)時(shí)器事件運(yùn)行時(shí)（類似于Timer類），我們會(huì)再次從線程池中獲取一個(gè)可用的工作線程并運(yùn)行計(jì)時(shí)器給它的代碼（可能會(huì)是我們之前使用過的工作線程）。

而Task.Run方法則不同，它的執(zhí)行過程如下：

1、從線程池中獲取工作線程，并將其阻塞幾秒鐘；

2、獲取第二個(gè)工作線程，也將其阻塞幾秒鐘。

在此過程中，兩個(gè)工作線程并無法做其他事，只能進(jìn)行等待操作，因此在某種程度上，這兩個(gè)工作線程是被浪費(fèi)掉了。

所以我們?cè)趯?shí)際使用時(shí)，盡量使用Task.Delay的方式進(jìn)行并行操作，而不是使用Task.Run。

處理異常

在異步函數(shù)中，處理異常可以像同步代碼那樣使用try-catch去處理，但是在不同的場(chǎng)景下，也有不同的使用方式，下面我們一起來看看有哪些常見的使用場(chǎng)景，如圖所示：

我們分別定義了三種場(chǎng)景：單個(gè)異常、多個(gè)異常及多個(gè)異常的異常集合。相關(guān)實(shí)現(xiàn)代碼如下：

using System; using System.Collections.Generic; using System.Linq; using System.Text; using System.Threading; using System.Threading.Tasks;namespace asyncDemo {class Program{static void Main(string[] args){Task t = AsyncProcessing();t.Wait();Console.Read();}async static Task AsyncProcessing(){Console.WriteLine("1、單個(gè)異常");try{string result = await GetInfoAsync("任務(wù)1", 2);Console.WriteLine(result);}catch (Exception ex){Console.WriteLine($"異常內(nèi)容：{ex}");}Console.WriteLine("-----------------------------------------------------");Console.WriteLine("2、多個(gè)異常");Task<string> t1 = GetInfoAsync("任務(wù)1", 3);Task<string> t2 = GetInfoAsync("任務(wù)2", 2);try{string[] results = await Task.WhenAll(t1, t2);Console.WriteLine(results.Length);}catch (Exception ex){Console.WriteLine($"異常內(nèi)容：{ex}");}Console.WriteLine("-----------------------------------------------------");Console.WriteLine("3、多個(gè)異常的異常集合");t1 = GetInfoAsync("任務(wù)1", 3);t2 = GetInfoAsync("任務(wù)2", 2);Task<string[]> t3 = Task.WhenAll(t1, t2);try{string[] results = await t3;Console.WriteLine(results.Length);}catch{var ae = t3.Exception.Flatten();var exceptions = ae.InnerExceptions;Console.WriteLine($"異常發(fā)生數(shù)量：{exceptions.Count}");}}async static Task<string> GetInfoAsync(string name, int seconds){await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(seconds));throw new Exception($"異常來自于:{name}");}} }

執(zhí)行后的結(jié)果如圖所示：

從執(zhí)行結(jié)果我們可以看出，如果在可能發(fā)生多個(gè)異常的場(chǎng)景下，仍直接使用try-catch的方式處理異常，那么只能從底層的AggregateException中獲取到第一個(gè)異常。

為了得到所有的異常信息，我們需要使用await任務(wù)的Exception屬性。在第三種場(chǎng)景中，我們使用了AggregateException的Flatten方法，將層級(jí)異常放入一個(gè)列表，從而達(dá)到獲取所有異常的效果，在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)多加注意。

小結(jié)

至此為止，關(guān)于異步函數(shù)的特性及使用方式就已經(jīng)介紹完畢。通過異步模型的發(fā)展歷程我們可以看出，為了應(yīng)對(duì)不同時(shí)期的需求，異步模型也經(jīng)歷了由復(fù)雜到簡(jiǎn)單的過程。最終我們使用的異步函數(shù)模式，可以使得程序在編寫代碼時(shí)，能用編寫同步代碼的方式來實(shí)現(xiàn)異步，大大降低了復(fù)雜度，也提升了代碼可讀性。由于該思想和語法相當(dāng)簡(jiǎn)潔，在其他語言中也借鑒了類似的語法，如JavaScript在ES6標(biāo)準(zhǔn)中也引入了async-await的寫法來實(shí)現(xiàn)異步，避免了多個(gè)回調(diào)嵌套的尷尬方式。

但關(guān)于async-await本身，C#編譯器在背后通過及其復(fù)雜的原理為我們屏蔽了底層的細(xì)節(jié)，包括為何不能使用async void等等，這些原理還是建議大家有時(shí)間的話進(jìn)行一些挖掘和探究，學(xué)習(xí)背后的設(shè)計(jì)思想，會(huì)對(duì)我們的程序設(shè)計(jì)思維大有裨益。

.Net異步編程系列的文章，到此也暫時(shí)告一段落了。我個(gè)人在后面的日子中也會(huì)將主要精力投入到架構(gòu)設(shè)計(jì)和微服務(wù)等前沿技術(shù)中，同時(shí)會(huì)總結(jié)一些個(gè)人的心得與體會(huì)形成其他系列的分享，請(qǐng)大家拭目以待。也感謝所有閱讀此系列文章的讀者，感謝大家的反饋，陪伴我度過一段難忘的時(shí)光，我們下一期再會(huì)！

參考

1.避免 Async Void?https://docs.microsoft.com/zh-cn/archive/msdn-magazine/2013/march/async-await-best-practices-in-asynchronous-programming

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的浅谈.Net异步编程的前世今生----异步函数篇(完结)的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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