一文说通C#中的异步编程

一、同步和异步。

先说同步。

同步概念大家都很熟悉。在异步概念出来之前，我们的代码都是按同步的方式写的。简单来说，就是程序严格按照代码的逻辑次序，一行一行执行。

看一段代码：

public static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("Syc proccess - start");

    Console.WriteLine("Syc proccess - enter Func1");
    func1();
    Console.WriteLine("Syc proccess - out Func1");

    Console.WriteLine("Syc proccess - enter Func2");
    func2();
    Console.WriteLine("Syc proccess - out Func2");

    Console.WriteLine("Syc proccess - enter Func3");
    func3();
    Console.WriteLine("Syc proccess - out Func3");

    Console.WriteLine("Syc proccess - done");
}

private static void func1()
{
    Console.WriteLine("Func1 proccess - start");
    Thread.Sleep(1000);
    Console.WriteLine("Func1 proccess - end");
}

private static void func2()
{
    Console.WriteLine("Func2 proccess - start");
    Thread.Sleep(3000);
    Console.WriteLine("Func2 proccess - end");
}

private static void func3()
{
    Console.WriteLine("Func3 proccess - start");
    Thread.Sleep(5000);
    Console.WriteLine("Func3 proccess - end");
}

这是一段简单的通常意义上的代码，程序按代码的次序同步执行，看结果：

Syc proccess - start
Syc proccess - enter Func1
Func1 proccess - start
Func1 proccess - end
Syc proccess - out Func1
Syc proccess - enter Func2
Func2 proccess - start
Func2 proccess - end
Syc proccess - out Func2
Syc proccess - enter Func3
Func3 proccess - start
Func3 proccess - end
Syc proccess - out Func3
Syc proccess - done

没有任何意外。

 

 

那异步呢？

异步，来自于对同步处理的改良和优化。

应用中，经常会有对于文件或网络、数据库的IO操作。这些操作因为IO软硬件的原因，需要消耗很多时间，但通常情况下CPU计算量并不大。在同步的代码中，这个过程会被阻塞。直白的说法就是这一行代码没执行完成，程序就得等着，等完成后再执行下一行代码，而这个等待的时间中，CPU资源就被浪费了，闲着了，什么也没做。（当然，操作系统会调度CPU干别的，这儿不抬杠。）

异步编程模型和规范因此出现了，通过某种机制，让程序在等着IO的过程中，继续做点别的事，等IO的过程完成了，再回来处理IO的内容。这样CPU也没闲着，在等IO的过程中多做了点事。反映到用户端，就感觉程序更快了，用时更短了。

 

下面重点说一下异步编程相关的内容。

二、异步编程

C#中，异步编程，一个核心，两个关键字。

一个核心是指Task和Task<T>对象，而两个关键字，就是async和await。

从各种渠道给出的异步编程，都是下面的方式：

async Task function()
{
  /* your code here */
}

然后调用的方式：

await function();

是这样的吗？嗯，图样图森破～～～

 

我们来看代码：

static async Task Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("Async proccess - start");

    Console.WriteLine("Async proccess - enter Func1");
    await func1();
    Console.WriteLine("Async proccess - out Func1");

    Console.WriteLine("Async proccess - enter Func2");
    await func2();
    Console.WriteLine("Async proccess - out Func2");

    Console.WriteLine("Async proccess - enter Func3");
    await func3();
    Console.WriteLine("Async proccess - out Func3");

    Console.WriteLine("Async proccess - done");

    Console.WriteLine("Main proccess - done");
}

private static async Task func1()
{
    Console.WriteLine("Func1 proccess - start");
    Thread.Sleep(1000);
    Console.WriteLine("Func1 proccess - end");
}

private static async Task func2()
{
    Console.WriteLine("Func2 proccess - start");
    Thread.Sleep(3000);
    Console.WriteLine("Func2 proccess - end");
}

private static async Task func3()
{
    Console.WriteLine("Func3 proccess - start");
    Thread.Sleep(5000);
    Console.WriteLine("Func3 proccess - end");
}

跑一下结果：

Async proccess - start
Async proccess - enter Func1
Func1 proccess - start
Func1 proccess - end
Async proccess - out Func1
Async proccess - enter Func2
Func2 proccess - start
Func2 proccess - end
Async proccess - out Func2
Async proccess - enter Func3
Func3 proccess - start
Func3 proccess - end
Async proccess - out Func3
Async proccess - done
Main proccess - done

咦？这个好像跟同步代码的执行结果没什么区别啊？

 

嗯，完全正确。上面这个代码，真的是同步执行的。

这是异步编程的第一个容易错误的理解：async和await的配对。

三、async和await的配对

在异步编程的规范中，async修饰的方法，仅仅表示这个方法在内部有可能采用异步的方式执行，CPU在执行这个方法时，会放到一个新的线程中执行。

那这个方法，最终是否采用异步执行，不决定于是否用await方式调用这个方法，而决定于这个方法内部，是否有await方式的调用。

看代码，很容易理解：

private static async Task func1()
{
    Console.WriteLine("Func1 proccess - start");
    Thread.Sleep(1000);
    Console.WriteLine("Func1 proccess - end");
}

这个方法，因为方法内部没有await调用，所以这个方法永远会以同步方式执行，不管你调用这个方法时，有没有await。

而下面这个代码：

private static async Task func1()
{
    Console.WriteLine("Func1 proccess - start");
    await Task.Run(() => Thread.Sleep(1000));
    Console.WriteLine("Func1 proccess - end");
}

因为这个方法里有await调用，所以这个方法不管你以什么方式调用，有没有await，都是异步执行的。

看代码：

static async Task Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("Async proccess - start");

    Console.WriteLine("Async proccess - enter Func1");
    func1();
    Console.WriteLine("Async proccess - out Func1");

    Console.WriteLine("Async proccess - enter Func2");
    func2();
    Console.WriteLine("Async proccess - out Func2");

    Console.WriteLine("Async proccess - enter Func3");
    func3();
    Console.WriteLine("Async proccess - out Func3");

    Console.WriteLine("Async proccess - done");

    Console.WriteLine("Main proccess - done");

    Console.ReadKey();
}

private static async Task func1()
{
    Console.WriteLine("Func1 proccess - start");
    await Task.Run(() => Thread.Sleep(1000));
    Console.WriteLine("Func1 proccess - end");
}

private static async Task func2()
{
    Console.WriteLine("Func2 proccess - start");
    await Task.Run(() => Thread.Sleep(3000));
    Console.WriteLine("Func2 proccess - end");
}

private static async Task func3()
{
    Console.WriteLine("Func3 proccess - start");
    await Task.Run(() => Thread.Sleep(5000));
    Console.WriteLine("Func3 proccess - end");
}

输出结果：

Async proccess - start
Async proccess - enter Func1
Func1 proccess - start
Async proccess - out Func1
Async proccess - enter Func2
Func2 proccess - start
Async proccess - out Func2
Async proccess - enter Func3
Func3 proccess - start
Async proccess - out Func3
Async proccess - done
Main proccess - done
Func1 proccess - end
Func2 proccess - end
Func3 proccess - end

结果中，在长时间运行Thread.Sleep的时候，跳出去往下执行了，是异步。

 

又有问题来了：不是说异步调用要用await吗？

我们把await加到调用方法的前边，试一下：

static async Task Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("Async proccess - start");

    Console.WriteLine("Async proccess - enter Func1");
    await func1();
    Console.WriteLine("Async proccess - out Func1");

    Console.WriteLine("Async proccess - enter Func2");
    await func2();
    Console.WriteLine("Async proccess - out Func2");

    Console.WriteLine("Async proccess - enter Func3");
    await func3();
    Console.WriteLine("Async proccess - out Func3");

    Console.WriteLine("Async proccess - done");

    Console.WriteLine("Main proccess - done");

    Console.ReadKey();
}

跑一下结果：

Async proccess - start
Async proccess - enter Func1
Func1 proccess - start
Func1 proccess - end
Async proccess - out Func1
Async proccess - enter Func2
Func2 proccess - start
Func2 proccess - end
Async proccess - out Func2
Async proccess - enter Func3
Func3 proccess - start
Func3 proccess - end
Async proccess - out Func3
Async proccess - done
Main proccess - done

嗯？怎么又像是同步了？

 

对，这是第二个容易错误的理解：await是什么意思？

四、await是什么意思

提到await，就得先说说Wait。

字面意思，Wait就是等待。

前边说了，异步有一个核心，是Task。而Task有一个方法，就是Wait，写法是Task.Wait()。所以，很多人把这个Wait和await混为一谈，这是错的。

这个问题来自于Task。C#里，Task不是专为异步准备的，它表达的是一个线程，是工作在线程池里的一个线程。异步是线程的一种应用，多线程也是线程的一种应用。Wait，以及Status、IsCanceled、IsCompleted、IsFaulted等等，是给多线程准备的方法，跟异步没有半毛钱关系。当然你非要在异步中使用多线程的Wait或其它，从代码编译层面不会出错，但程序会。

尤其，Task.Wait()是一个同步方法，用于多线程中阻塞等待。

在那个「同步方法中调用异步方法」的文章中，用Task.Wait()来实现同步方法中调用异步方法，这个用法本身就是错误的。异步不是多线程，而且在多线程中，多个Task.Wait()使用也会死锁，也有解决和避免死锁的一整套方式。

再说一遍：Task.Wait()是一个同步方法，用于多线程中阻塞等待，不是实现同步方法中调用异步方法的实现方式。

 

说回await。字面意思，也好像是等待。是真的吗？

并不是，await不完全是等待的意思。

在异步中，await表达的意思是：当前线程/方法中，await引导的方法出结果前，跳出当前线程/方法，从调用当前线程/方法的位置，去执行其它可能执行的线程/方法，并在引导的方法出结果后，把运行点拉回到当前位置继续执行；直到遇到下一个await，或线程/方法完成返回，跳回去刚才外部最后执行的位置继续执行。

有点绕，还是看代码：

  static async Task Main(string[] args)
  {
1     Console.WriteLine("Async proccess - start");

2     Console.WriteLine("Async proccess - enter Func1");
3     func1();
4     Console.WriteLine("Async proccess - out Func1");

5     Console.WriteLine("Async proccess - done");

6         Thread.Sleep(2000);

7     Console.WriteLine("Main proccess - done");

8    Console.ReadKey();
  }

  private static async Task func1()
  {
9     Console.WriteLine("Func1 proccess - start");
10    await Task.Run(() => Thread.Sleep(1000));
11    Console.WriteLine("Func1 proccess - end");
  }

这个代码，执行时是这样的：顺序执行1、2、3，进到func1，执行9、10，到10时，有await，所以跳出，执行4、5、6。而6是一个长时等待，在等待的过程中，func1的10运行完成，运行点跳回10，执行11并结束方法，再回到6等待，结束等待后继续执行7、8结束。

我们看一下结果：

Async proccess - start
Async proccess - enter Func1
Func1 proccess - start
Async proccess - out Func1
Async proccess - done
Func1 proccess - end
Main proccess - done

映证了这样的次序。

 

在这个例子中，await在控制异步的执行次序。那为什么要用等待这么个词呢？是因为await确实有等待结果的含义。

这是await的第二层意思。

五、await的第二层意思：等待拿到结果

await确实有等待的含义。等什么？等异步的运行结果。

看代码：

static async Task Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("Async proccess - start");

    Console.WriteLine("Async proccess - enter Func1");
    Task<int> f = func1();
    Console.WriteLine("Async proccess - out Func1");

    Console.WriteLine("Async proccess - done");

    int result = await f;

    Console.WriteLine("Main proccess - done");

    Console.ReadKey();
}

private static async Task<int> func1()
{
    Console.WriteLine("Func1 proccess - start");
    await Task.Run(() => Thread.Sleep(1000));
    Console.WriteLine("Func1 proccess - end");

    return 5;
}

比较一下这段代码和上一节的代码，很容易搞清楚执行过程。

这个代码，完成了这样一个需求：我们需要使用func1方法的返回值。我们可以提前去执行这个方法，而不急于拿到方法的返回值，直到我们需要使用时，再用await去获取到这个返回值去使用。

 

这才是异步对于我们真正的用处。对于一些耗时的IO或类似的操作，我们可以提前调用，让程序可以利用执行过程中的空闲时间来完成这个操作。等到我们需要这个操作的结果用于后续的执行时，我们await这个结果。这时候，如果await的方法已经执行完成，那我们可以马上得到结果；如果没有完成，则程序将继续执行这个方法直到得到结果。

六、同步方法中调用异步

正确的方法只有一个：

func1().GetAwaiter().GetResult();

这其实就是await的一个变形。