現(xiàn)代應(yīng)用程序廣泛使用文件和網(wǎng)絡(luò) I/O。I/O 相關(guān) API 傳統(tǒng)上默認(rèn)是阻塞的，導(dǎo)致用戶體驗和硬件利用率不佳，此類問題的學(xué)習(xí)和編碼的難度也較大。而今基于 Task 的異步 API 和語言級異步編程模式顛覆了傳統(tǒng)模式，使得異步編程非常簡單，幾乎沒有新的概念需要學(xué)習(xí)。

異步代碼有如下特點：

• 在等待 I/O 請求返回的過程中，通過讓出線程來處理更多的服務(wù)器請求。
• 通過在等待 I/O 請求時讓出線程進(jìn)行 UI 交互，并將長期運行的工作過渡到其他 CPU，使用戶界面的響應(yīng)性更強。
• 許多較新的 .NET API 都是異步的。
• 在 .NET 中編寫異步代碼很容易。

使用 .NET 基于 Task 的異步模型可以直接編寫 I/O 和 CPU 受限的異步代碼。該模型圍繞著Task和Task<T>類型以及 C# 的async和await關(guān)鍵字展開。本文將講解如何使用 .NET 異步編程及一些相關(guān)基礎(chǔ)知識。

Task 和 Task<T>

Task 是 Promise 模型的實現(xiàn)。簡單說，它給出“承諾”：會在稍后完成工作。而 .NET 的 Task 是為了簡化使用“承諾”而設(shè)計的 API。

Task 表示不返回值的操作， Task<T> 表示返回T類型的值的操作。

重要的是要把 Task 理解為發(fā)起異步工作的抽象，而不是對線程的抽象。默認(rèn)情況下，Task 在當(dāng)前線程上執(zhí)行，并酌情將工作委托給操作系統(tǒng)?？梢赃x擇通過Task.RunAPI 明確要求任務(wù)在單獨的線程上運行。

Task 提供了一個 API 協(xié)議，用于監(jiān)視、等待和訪問任務(wù)的結(jié)果值。比如，通過await關(guān)鍵字等待任務(wù)執(zhí)行完成，為使用 Task 提供了更高層次的抽象。

使用 await 允許你在任務(wù)運行期間執(zhí)行其它有用的工作，將控制權(quán)交給其調(diào)用者，直到任務(wù)完成。你不再需要依賴回調(diào)或事件來在任務(wù)完成后繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)工作。

I/O 受限異步操作

下面示例代碼演示了一個典型的異步 I/O 調(diào)用操作：

public Task<string> GetHtmlAsync()
{
    // 此處是同步執(zhí)行
    var client = new HttpClient();
    return client.GetStringAsync("https://www.dotnetfoundation.org");
}

這個例子調(diào)用了一個異步方法，并返回了一個活動的 Task，它很可能還沒有完成。

下面第二個代碼示例增加了async和await關(guān)鍵字對任務(wù)進(jìn)行操作：

public async Task<string> GetFirstCharactersCountAsync(string url, int count)
{
    // 此處是同步執(zhí)行
    var client = new HttpClient();

    // 此處 await 掛起代碼的執(zhí)行，把控制權(quán)交出去（線程可以去做別的事情）
    var page = await client.GetStringAsync("https://www.dotnetfoundation.org");

    // 任務(wù)完成后恢復(fù)了控制權(quán)，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)代碼
    // 此處回到了同步執(zhí)行

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

使用 await 關(guān)鍵字告訴當(dāng)前上下文趕緊生成快照并交出控制權(quán)，異步任務(wù)執(zhí)行完成后會帶著返回值去線程池排隊等待可用線程，等到可用線程后，恢復(fù)上下文，線程繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)代碼。

GetStringAsync() 方法的內(nèi)部通過底層 .NET 庫調(diào)用資源(也許會調(diào)用其他異步方法)，一直到 P/Invoke 互操作調(diào)用本地(Native)網(wǎng)絡(luò)庫。本地庫隨后可能會調(diào)用到一個系統(tǒng) API(如 Linux 上 Socket 的write()API)。Task 對象將通過層層傳遞，最終返回給初始調(diào)用者。

在整個過程中，關(guān)鍵的一點是，沒有一個線程是專門用來處理任務(wù)的。雖然工作是在某種上下文中執(zhí)行的（操作系統(tǒng)確實要把數(shù)據(jù)傳遞給設(shè)備驅(qū)動程序并中斷響應(yīng)），但沒有線程專門用來等待請求的數(shù)據(jù)回返回。這使得系統(tǒng)可以處理更大的工作量，而不是干等著某個 I/O 調(diào)用完成。

雖然上面的工作看似很多，但與實際 I/O 工作所需的時間相比，簡直微不足道。用一條不太精確的時間線來表示，大概是這樣的：

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

從0到1所花費的時間是await交出控制權(quán)之前所花的時間。從1到2花費的時間是GetStringAsync方法花費在 I/O 上的時間，沒有 CPU 成本。最后，從2到3花費的時間是上下文重新獲取控制權(quán)后繼續(xù)執(zhí)行的時間。

CPU 受限異步操作

CPU 受限的異步代碼與 I/O 受限的異步代碼有些不同。因為工作是在 CPU 上完成的，所以沒有辦法繞開專門的線程來進(jìn)行計算。使用 async 和 await 只是為你提供了一種干凈的方式來與后臺線程進(jìn)行交互。請注意，這并不能為共享數(shù)據(jù)提供加鎖保護(hù)，如果你正在使用共享數(shù)據(jù)，仍然需要使用適當(dāng)?shù)耐讲呗浴?/p>

下面是一個 CPU 受限的異步調(diào)用：

public async Task<int> CalculateResult(InputData data)
{
    // 在線程池排隊獲取線程來處理任務(wù)
    var expensiveResultTask = Task.Run(() => DoExpensiveCalculation(data));

    // 此時此處，你可以并行地處理其它工作

    var result = await expensiveResultTask;

    return result;
}

CalculateResult方法在它被調(diào)用的線程（一般可以定義為主線程）上執(zhí)行。當(dāng)它調(diào)用Task.Run時，會在線程池上排隊執(zhí)行 CPU 受限操作 DoExpensiveCalculation，并接收一個Task<int>句柄。DoExpensiveCalculation會在下一個可用的線程上并行運行，很可能是在另一個 CPU 核上。和 I/O 受限異步調(diào)用一樣，一旦遇到await，CalculateResult的控制權(quán)就會被交給它的調(diào)用者，這樣在DoExpensiveCalculation返回結(jié)果的時候，結(jié)果就會被安排在主線程上排隊運行。

對于開發(fā)者，CUP 受限和 I/O 受限的在調(diào)用方式上沒什么區(qū)別。區(qū)別在于所調(diào)用資源性質(zhì)的不同，不必關(guān)心底層對不同資源的調(diào)用的具體邏輯。編寫代碼需要考慮的是，對于 CUP 受限的異步任務(wù)，根據(jù)實際情況考慮是否需要使其和其它任務(wù)并行執(zhí)行，以加快程序的整體運行時間。

異步編程模式

最后簡單回顧一下 .NET 歷史上提供的三種執(zhí)行異步操作的模式。

• 基于任務(wù)的異步模式（Task-based Asynchronous Pattern，TAP），它使用單一的方法來表示異步操作的啟動和完成。TAP 是在 .NET Framework 4 中引入的。它是 .NET 中異步編程的推薦方法。C# 中的 async 和 await 關(guān)鍵字為 TAP 添加了語言支持。
• 基于事件的異步模式（Event-based Asynchronous Pattern，EAP），這是基于事件的傳統(tǒng)模式，用于提供異步行為。它需要一個具有 Async 后綴的方法和一個或多個事件。EAP 是在 .NET Framework 2.0 中引入的。它不再被推薦用于新的開發(fā)。
• 異步編程模式（Asynchronous Programming Model，APM）模式，也稱為 IAsyncResult 模式，這是使用 IAsyncResult 接口提供異步行為的傳統(tǒng)模式。在這種模式中，需要Begin和End方法同步操作（例如，BeginWrite和EndWrite來實現(xiàn)異步寫操作）。這種模式也不再推薦用于新的開發(fā)。

下面簡單舉例對三種模式進(jìn)行比較。

假設(shè)有一個 Read 方法，該方法從指定的偏移量開始將指定數(shù)量的數(shù)據(jù)讀入提供的緩沖區(qū)：

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

若用 TAP 異步模式來改寫，該方法將是簡單的一個 ReadAsync 方法：

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

若使用 EAP 異步模式，需要額外多定義一些類型和成員：

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 異步模式，則需要定義兩個方法，一個用于開始執(zhí)行異步操作，一個用于接收異步操作結(jié)果：

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

后兩種異步模式已經(jīng)過時不推薦使用了，這里也不再繼續(xù)探討。歲數(shù)大點的 .NET 程序員可能比較熟悉后兩種異步模式，畢竟那時候沒有 async/await，應(yīng)該沒少折騰。

以上就是c# 異步編程基礎(chǔ)講解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于c# 異步編程的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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