C# 彻底搞懂async/await

关键：

 异步方法：在执行完成前立即返回调用方法，在调用方法继续执行的过程中完成任务。

 async/await 结构可分成三部分：

     （1）调用方法：该方法调用异步方法，然后在异步方法执行其任务的时候继续执行；

     （2）异步方法：该方法异步执行工作，然后立刻返回到调用方法；

     （3）await 表达式：用于异步方法内部，指出需要异步执行的任务。一个异步方法可以包含多个 await 表达式（不存在 await 表达式的话 IDE 会发出警告）。

一、What's 异步？

     启动程序时，系统会在内存中创建一个新的进程。进程是构成运行程序资源的集合。

     在进程内部，有称为线程的内核对象，它代表的是真正的执行程序。系统会在 Main 方法的第一行语句就开始线程的执行。

 

     线程：

     ①默认情况，一个进程只包含一个线程，从程序的开始到执行结束；

     ②线程可以派生自其它线程，所以一个进程可以包含不同状态的多个线程，来执行程序的不同部分；

     ③一个进程中的多个线程，将共享该进程的资源；

     ④系统为处理器执行所规划的单元是线程，而非进程。

 

     一般来说我们写的控制台程序都只使用了一个线程，从第一条语句按顺序执行到最后一条。但在很多的情况下，这种简单的模型会在性能或用户体验上不好。

     例如：服务器要同时处理来自多个客户端程序的请求，又要等待数据库和其它设备的响应，这将严重影响性能。程序不应该将时间浪费在响应上，而要在等待的同时执行其它任务！

     现在我们开始进入异步编程。在异步程序中，代码不需要按照编写时的顺序执行。这时我们需要用到 C# 5.0 引入的 async/await 来构建异步方法。

 

     我们先看一下不用异步的示例：

class Program
    {
        //创建计时器
        private static readonly Stopwatch Watch = new Stopwatch();
 
        private static void Main(string[] args)
        {
            //启动计时器
            Watch.Start();
 
            const string url1 = "http://www.cnblogs.com/";
            const string url2 = "http://www.cnblogs.com/liqingwen/";
 
            //两次调用 CountCharacters 方法（下载某网站内容，并统计字符的个数）
            var result1 = CountCharacters(1, url1);
            var result2 = CountCharacters(2, url2);
 
            //三次调用 ExtraOperation 方法（主要是通过拼接字符串达到耗时操作）
            for (var i = 0; i < 3; i++)
            {
                ExtraOperation(i + 1);
            }
 
            //控制台输出
            Console.WriteLine($"{url1} 的字符个数：{result1}");
            Console.WriteLine($"{url2} 的字符个数：{result2}");
 
            Console.Read();
        }
 
        /// <summary>
        /// 统计字符个数
        /// </summary>
        /// <param name="id"></param>
        /// <param name="address"></param>
        /// <returns></returns>
        private static int CountCharacters(int id, string address)
        {
            var wc = new WebClient();
            Console.WriteLine($"开始调用 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
 
            var result = wc.DownloadString(address);
            Console.WriteLine($"调用完成 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
 
            return result.Length;
        }
 
        /// <summary>
        /// 额外操作
        /// </summary>
        /// <param name="id"></param>
        private static void ExtraOperation(int id)
        {
            //这里是通过拼接字符串进行一些相对耗时的操作
            var s = "";
 
            for (var i = 0; i < 6000; i++)
            {
                s += i;
            }
 
            Console.WriteLine($"id = {id} 的 ExtraOperation 方法完成：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
        }
    }

 

 

                                            

                                                         图1-1 运行的效果图，以毫秒（ms）为单位

 

　　【备注】一般来说，直接拼接字符串是一种比较耗性能的手段，如果对字符串拼接有性能要求的话应该使用 StringBuilder。

　　【注意】每次运行的结果可能不同。不管哪次调试，绝大部分时间都浪费前两次调用（CountCharacters 方法），即在等待网站的响应上。

 

　　                                                            图1-2 根据执行结果所画的时间轴

 

     有人曾幻想着这样提高性能的方法：在调用 A 方法时，不等它执行完，直接执行 B 方法，然后等 A 方法执行完成再处理。

     C# 的 async/await 就可以允许我们这么弄。

class Program
    {
        //创建计时器
        private static readonly Stopwatch Watch = new Stopwatch();
 
        private static void Main(string[] args)
        {
            //启动计时器
            Watch.Start();
 
            const string url1 = "http://www.cnblogs.com/";
            const string url2 = "http://www.cnblogs.com/liqingwen/";
 
            //两次调用 CountCharactersAsync 方法（异步下载某网站内容，并统计字符的个数）
            Task<int> t1 = CountCharactersAsync(1, url1);
            Task<int> t2 = CountCharactersAsync(2, url2);
 
            //三次调用 ExtraOperation 方法（主要是通过拼接字符串达到耗时操作）
            for (var i = 0; i < 3; i++)
            {
                ExtraOperation(i + 1);
            }
 
            //控制台输出
            Console.WriteLine($"{url1} 的字符个数：{t1.Result}");
            Console.WriteLine($"{url2} 的字符个数：{t2.Result}");
 
            Console.Read();
        }
 
        /// <summary>
        /// 统计字符个数
        /// </summary>
        /// <param name="id"></param>
        /// <param name="address"></param>
        /// <returns></returns>
        private static async Task<int> CountCharactersAsync(int id, string address)
        {
            var wc = new WebClient();
            Console.WriteLine($"开始调用 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
 
            var result = await wc.DownloadStringTaskAsync(address);
            Console.WriteLine($"调用完成 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
 
            return result.Length;
        }
 
        /// <summary>
        /// 额外操作
        /// </summary>
        /// <param name="id"></param>
        private static void ExtraOperation(int id)
        {
            //这里是通过拼接字符串进行一些相对耗时的操作
            var s = "";
 
            for (var i = 0; i < 6000; i++)
            {
                s += i;
            }
 
            Console.WriteLine($"id = {id} 的 ExtraOperation 方法完成：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
        }
    }
 
//这是修改后的代码

 

                                            

                                                                            图1-3 修改后的执行结果图

                                                       图1-4 根据加入异步后的执行结果画的时间轴。

 

　　我们观察时间轴发现，新版代码比旧版快了不少（由于网络波动的原因，很可能会出现耗时比之前长的情况）。这是由于 ExtraOperation 方法的数次调用是在 CountCharactersAsync 方法调用时等待响应的过程中进行的。所有的工作都是在主线程中完成的，没有创建新的线程。

 

　　【改动分析】只改了几个细节的地方，直接展开代码的话可能看不出来，改动如下：

 　　                            

                                                                                              图1-5

                                     

　　                                                                                        图1-6

 

　　①从 Main 方法执行到 CountCharactersAsync(1, url1) 方法时，该方法会立即返回，然后才会调用它内部的方法开始下载内容。该方法返回的是一个 Task<int> 类型的占位符对象，表示计划进行的工作。这个占位符最终会返回 int 类型的值。

　　②这样就可以不必等 CountCharactersAsync(1, url1) 方法执行完成就可以继续进行下一步操作。到执行 CountCharactersAsync(2, url2)  方法时，跟 ① 一样返回 Task<int> 对象。

　　③然后，Main 方法继续执行三次 ExtraOperation 方法，同时两次 CountCharactersAsync 方法依然在持续工作 。

　　④t1.Result 和 t2.Result 是指从 CountCharactersAsync 方法调用的 Task<int> 对象取结果，如果还没有结果的话，将阻塞，直有结果返回为止。

 

二、async/await 结构

     先解析一下专业名词：

     同步方法：一个程序调用某个方法，等到其执行完成之后才进行下一步操作。这也是默认的形式。

     异步方法：一个程序调用某个方法，在处理完成之前就返回该方法。通过 async/await 我们就可以实现这种类型的方法。

 

     async/await 结构可分成三部分：

     （1）调用方法：该方法调用异步方法，然后在异步方法执行其任务的时候继续执行；

     （2）异步方法：该方法异步执行工作，然后立刻返回到调用方法；

     （3）await 表达式：用于异步方法内部，指出需要异步执行的任务。一个异步方法可以包含多个 await 表达式（不存在 await 表达式的话 IDE 会发出警告）。

 

　　现在我们来分析一下示例。

                           

　　                                                                                          图2-1

 

 三、What’s 异步方法

     异步方法：在执行完成前立即返回调用方法，在调用方法继续执行的过程中完成任务。

     语法分析：

     （1）关键字：方法头使用 async 修饰。

     （2）要求：包含 N（N>0） 个 await 表达式（不存在 await 表达式的话 IDE 会发出警告），表示需要异步执行的任务。

     （3）返回类型：只能返回 3 种类型（void、Task 和 Task<T>）。Task 和 Task<T> 标识返回的对象会在将来完成工作，表示调用方法和异步方法可以继续执行。

     （4）参数：数量不限，但不能使用 out 和 ref 关键字。

     （5）命名约定：方法后缀名应以 Async 结尾。

     （6）其它：匿名方法和 Lambda 表达式也可以作为异步对象；async 是一个上下文关键字；关键字 async 必须在返回类型前。

                                   

                                                                           图3-1 异步方法的简单结构图

 

 

async/await的优雅的打开方式是这样的：

private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            var t = Task.Run(() => {
                Thread.Sleep(5000);
                return "Hello I am TimeConsumingMethod";
            });
            textBox1.Text = await t;
        }

寥寥几行就搞定了，不用再多写那么多函数，使用起来也很灵活。最让人头疼的跨线程修改控件的问题完美解决了，再也不用使用Invoke了，因为修改控件的操作压根就是在原来的线程上做的，还能不阻塞UI。