前言    

對(duì)于服務(wù)端，達(dá)到高性能、高擴(kuò)展離不開(kāi)異步。對(duì)于客戶端，函數(shù)執(zhí)行時(shí)間是1毫秒還是100毫秒差別不大，沒(méi)必要為這一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間煞費(fèi)苦心。對(duì)于異步，好多人還有誤解，如： 異步就是多線程；異步就是如何利用好線程池。異步不是這么簡(jiǎn)單，否則微軟沒(méi)必要在異步上花費(fèi)這么多心思。本文就介紹異步最新的實(shí)現(xiàn)方式：Task，并自己動(dòng)手寫(xiě)一個(gè)異步IO函數(shù)。只有了解了異步函數(shù)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式，才能更好的利用它。

　　對(duì)于c#，異步處理經(jīng)過(guò)了多個(gè)階段，但是對(duì)于現(xiàn)階段異步就是Task，微軟用Task來(lái)抽象異步操作。以后的異步函數(shù)，處理的都是Task。你會(huì)看到處處都是task的身影。為了處理Task，c#引入了兩個(gè)關(guān)鍵詞async，await。這兩個(gè)關(guān)鍵詞也可以說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵詞，因?yàn)閍sync的存在是為了表明await是關(guān)鍵詞。總而言之：兩個(gè)關(guān)鍵詞干了一件事，async關(guān)鍵詞并不改變函數(shù)的聲明。

　　有人說(shuō)await就是語(yǔ)法糖，不值得大書(shū)特書(shū)，我只能說(shuō)你錯(cuò)了。軟件開(kāi)發(fā)堅(jiān)持的原則為：代碼要省，代碼要清晰易懂！如果沒(méi)有語(yǔ)法糖，代碼的維護(hù)性大大降低。await這個(gè)語(yǔ)法糖做的事很多；如果不用await，處理同樣的邏輯，需要多寫(xiě)很多代碼，并導(dǎo)致邏輯不清晰。

Task的分類(lèi)

 　　異步分為兩類(lèi) compute-base 和 IO-base。compute-base就是計(jì)算密集型，函數(shù)所有的操作都是在內(nèi)存中，不涉及IO；如果運(yùn)行這個(gè)函數(shù)，則單個(gè)線程利用率達(dá)100%；IO-base就是涉及到IO，IO包括文件讀寫(xiě)，socket讀寫(xiě)；這類(lèi)異步操作底層涉及到IOCP（完成端口）。相應(yīng)的，Task也分為兩類(lèi)。

　　對(duì)于這兩個(gè)區(qū)別可以舉個(gè)例子來(lái)區(qū)分：一臺(tái)電腦為4個(gè)線程。如果同時(shí)有4個(gè)compute-base線程運(yùn)行，cpu的利用率為100%。如果同時(shí)有4個(gè) IO-base的異步操作，cpu利用率可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于100%。

　　對(duì)于.net 庫(kù),有些函數(shù)會(huì)有兩個(gè)版本：一個(gè)是同步操作，一個(gè)是異步操作（函數(shù)名以Async結(jié)尾，返回值為T(mén)ask）。舉個(gè)例子：

    這是WebClient類(lèi)獲取網(wǎng)址內(nèi)容函數(shù)。你會(huì)問(wèn)DownloadStringTaskAsync是compute-base  Task，還是 IO-base Task？我可以肯定的告訴你：只要是.net基本類(lèi)庫(kù)提供的異步函數(shù)基本都是IO-base Task（微軟官方文檔是這樣要求）。其實(shí)這樣要求是有道理的：對(duì)于compute-base異步，比較容易封裝；再者，這樣的異步是不能大規(guī)模的并發(fā)的。如果16個(gè)線程cpu，同時(shí)并發(fā)16個(gè)這樣的異步操作就是上限了；如果再多，反而會(huì)有害！

　　有人說(shuō)，如果基本類(lèi)庫(kù)不提供 IO-base Task函數(shù)，我也可以封裝一下，這個(gè)也不難??！代碼如下：

//把一個(gè)同步操作，改造成異步
public static async Task<byte[]> DownloadDataAsync(string url)
{
   WebRequest request = WebRequest.Create(url);

   return await Task.Run(() =>
   {
    using (var response = request.GetResponse())
    using (var responseStream = response.GetResponseStream())
    using (var result = new MemoryStream())
    {
     responseStream.CopyTo(result);
     return result.ToArray();
    }
   });
 }

　　上面函數(shù)如果說(shuō)是異步操作，也不錯(cuò)。但是，這不是“好”的異步操作！這是異步操作中夾雜著同步IO。會(huì)導(dǎo)致線程等待。如果有100個(gè)這樣的異步操作，就需要100個(gè)線程，這些線程大部分并沒(méi)在干活，而是在等待！ 對(duì)于“好”的異步IO，如果同時(shí)有100個(gè)操作，甚至幾萬(wàn)個(gè)操作，使用的線程都是有限的，一般不超過(guò)cpu線程數(shù)。這是怎么實(shí)現(xiàn)的？這涉及到IOCP，說(shuō)起來(lái)有些復(fù)雜，可以參考IOCP相關(guān)資料。類(lèi)庫(kù)提供異步IO操作，都是涉及到IOCP的。所以得到如下結(jié)論： 如果類(lèi)庫(kù)不提供IO異步函數(shù)，無(wú)論怎么改造，不可能改造成“好”的異步函數(shù)！

Task實(shí)現(xiàn)的基本原理

  Task變量狀態(tài)如下

　　狀態(tài)簡(jiǎn)要分為生成、執(zhí)行、執(zhí)行完畢這三個(gè)階段。如果執(zhí)行完畢前獲取執(zhí)行后的值Task.Result，函數(shù)就會(huì)阻塞。那我怎么知道什么時(shí)候完成，而又不阻塞？有兩種辦法，輪詢(xún)和回調(diào)通知。Task.IsCompleted屬性會(huì)指示函數(shù)是否執(zhí)行完畢。輪詢(xún)不是一個(gè)好的辦法，采用回調(diào)通知是上策！

　　回調(diào)通知有個(gè)缺點(diǎn)：處理邏輯不直觀，回調(diào)函數(shù)與異步調(diào)用函數(shù)不在一塊，還有可能隔著很多行代碼或不在同一個(gè)文件。如果這樣的回調(diào)函數(shù)太多，對(duì)理解代碼邏輯造成困難，代碼不易維護(hù)。微軟也考慮到了這個(gè)問(wèn)題，那就用await關(guān)鍵詞來(lái)解決。await幫你處理了回調(diào)函數(shù)的弊端，其實(shí)await后面的代碼與await前面的代碼不屬于同一個(gè)函數(shù)！await后面的代碼就是回調(diào)函數(shù)！微軟確實(shí)給我們解決了這個(gè)問(wèn)題，但是又帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題。好多人不明白，明明是同一個(gè)函數(shù)，怎么實(shí)現(xiàn)了等待而又不阻塞當(dāng)前線程！歸根到底，還是要理解await背后幫你干了啥，否則就會(huì)一直困惑。

　　要生成Task變量，只要理解幾個(gè)關(guān)鍵的處理步驟就行了。TaskCompletionSource類(lèi)會(huì)幫助我們生成Task。如果IO完成，設(shè)置Task的狀態(tài)為完成就行了。后面，就會(huì)執(zhí)行回調(diào)函數(shù)（await關(guān)鍵詞幫我干了，你看不到回調(diào)）！

如何寫(xiě)一個(gè)IO-base Task函數(shù)？

　　大部分情況下不需要自己寫(xiě)這樣的函數(shù)。但是，人是有好奇心的，如果不明白函數(shù)實(shí)現(xiàn)的原理，總是感覺(jué)不能釋?xiě)?！再者，明白函?shù)實(shí)現(xiàn)原理，就能更好的利用這類(lèi)函數(shù)。下面講解一下如何利用IOCP來(lái)實(shí)現(xiàn)異步函數(shù)。我沒(méi)有參考.net的源碼，只是根據(jù)邏輯推理應(yīng)該這實(shí)現(xiàn)?？隙ê?net源碼實(shí)現(xiàn)有出入，我寫(xiě)這些代碼主要為了闡明Task實(shí)現(xiàn)原理。

IOCP處理邏輯

　　對(duì)于IOCP，這里不展開(kāi)來(lái)講了，否則就跑題了。以socket讀取為例子，簡(jiǎn)單總結(jié)一下：如果你要接收100個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，你告訴IOCP你要接收100個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，并提供100個(gè)字節(jié)的buffer，函數(shù)立即返回；數(shù)據(jù)到達(dá)后，IOCP通知你，數(shù)據(jù)到了，數(shù)據(jù)就存在你提供的buffer里。

 　　實(shí)現(xiàn)異步IO偽代碼如下：

class AyncInside
 {
  //完成端口句柄
  IntPtr iocpHandle = IntPtr.Zero;

  Task<byte[]> ReadFromSocket(int count)
  {
   //生成此次操作需要相關(guān)數(shù)據(jù) 
   TaskCompletionSourceRead readInfo = new TaskCompletionSourceRead();
   readInfo.Buffer = new byte[count];

   //如果沒(méi)生成iocp則生成。
   if (iocpHandle == IntPtr.Zero)
   {
    iocpHandle = CreateIocp();
   }

   // 告訴iocp，要讀取count字節(jié)數(shù)據(jù)。函數(shù)不會(huì)阻塞，會(huì)立即返回
   //從完成端口收到數(shù)據(jù)后，會(huì)調(diào)用ReadScoketCallback
   //我們把readInfo也傳給函數(shù)。當(dāng)回調(diào)時(shí)，該變量會(huì)傳給回調(diào)函數(shù)。
   ReadFromIocp(iocpHandle, readInfo.Buffer, readInfo, ReadScoketCallback);
   
   return readInfo.Tcs.Task;
  }


  void ReadScoketCallback(byte[] buffer, int readCount,object tag)
  {
   //tag就是調(diào)用ReadFromIocp時(shí)，傳的readInfo
   //便于我們知道異步調(diào)用時(shí)的上下文數(shù)據(jù)。
   TaskCompletionSourceRead readInfo = tag as TaskCompletionSourceRead;
   
   if(buffer.Length == readCount )
   {
    //調(diào)用完SetResult后，await后面的代碼就會(huì)被執(zhí)行！
    readInfo.Tcs.SetResult(buffer);
   }
   else if (buffer.Length > 0)
   {
    Array.Resize(ref buffer, readCount);
    readInfo.Tcs.SetResult(buffer);
   }
   else
   {
    readInfo.Tcs.TrySetException(new Exception("讀取數(shù)據(jù)異常！socket可能已斷開(kāi)！"));
   }
  }

  private void ReadFromIocp(IntPtr iocpHandle, byte[] buffer, object tag,
   Action<byte[] , int,object> readScoketCallback)
  {
   throw new NotImplementedException();
  }

  private IntPtr CreateIocp()
  {
   throw new NotImplementedException();
  }

 }

 //封裝異步讀取需要的數(shù)據(jù)
 class TaskCompletionSourceRead
 {
  public TaskCompletionSource<byte[]> Tcs { get; set; }
  public byte[] Buffer { get; set; }
 }

　　上述代碼與實(shí)際可使用代碼差距還很大，我在這里主要為了闡明原理。通過(guò)上面的代碼，我們可以看到，這個(gè)異步函數(shù)并沒(méi)生成新的線程；網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和IOCP配合，幫我們接收了數(shù)據(jù)。所以這種方式才是真正可擴(kuò)展的異步IO。

后記

異步IO和可擴(kuò)展服務(wù)緊密關(guān)聯(lián)。對(duì)于.net core平臺(tái)，你會(huì)看到很多函數(shù)都是異步的。理解和用好異步IO函數(shù)非常重要。本文通過(guò)自己對(duì)異步IO的理解，試圖通過(guò)代碼闡明異步IO實(shí)現(xiàn)原理。希望你看過(guò)此文后，能對(duì)此有更深的理解！如果此文對(duì)你有所裨益，希望您給點(diǎn)個(gè)贊！

以上就是基于c# Task自己動(dòng)手寫(xiě)個(gè)異步IO函數(shù)的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于c# Task手寫(xiě)異步IO函數(shù)的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

最新評(píng)論