[C#] 异步编程

剖析异步方法

序

　　这是上篇《开始接触 async/await 异步编程》（入门）的第二章内容，主要是深入了解异步方法，建议大家先看入门篇，很短。

　　本文要求了解委托的使用。

介绍异步方法

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，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1 异步方法的简单结构图

　　关于 async 关键字：

　　①在返回类型之前包含 async 关键字

　　②它只是标识该方法包含一个或多个 await 表达式，即，它本身不创建异步操作。

　　③它是上下文关键字，即可作为变量名。

　　现在先来着重分析一下这三种返回值类型：void、Task 和 Task<T>

　　（1）Task<T>：调用方法要从调用中获取一个 T 类型的值，异步方法的返回类型就必须是Task<T>。调用方法从 Task 的 Result 属性获取的就是 T 类型的值。

 1     private static void Main(string[] args) 2     { 3       Task<int> t = Calculator.AddAsync(1, 2); 4  5       //一直在干活 6  7       Console.WriteLine($"result: {t.Result}"); 8  9       Console.Read();10     }

Program.cs

 1   internal class Calculator 2   { 3     private static int Add(int n, int m) 4     { 5       return n + m; 6     } 7  8     public static async Task<int> AddAsync(int n, int m) 9     {10       int val = await Task.Run(() => Add(n, m));11 12       return val;13     }14   }

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图2

图3

　　（2）Task：调用方法不需要从异步方法中取返回值，但是希望检查异步方法的状态，那么可以选择可以返回 Task 类型的对象。不过，就算异步方法中包含 return 语句，也不会返回任何东西。

 1     private static void Main(string[] args) 2     { 3       Task t = Calculator.AddAsync(1, 2); 4  5       //一直在干活 6  7       t.Wait(); 8       Console.WriteLine("AddAsync 方法执行完成"); 9 10       Console.Read();11     }

Program.cs

 1   internal class Calculator 2   { 3     private static int Add(int n, int m) 4     { 5       return n + m; 6     } 7  8     public static async Task AddAsync(int n, int m) 9     {10       int val = await Task.Run(() => Add(n, m));11       Console.WriteLine($"Result: {val}");12     }13   }

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图4

图5

　　（3）void：调用方法执行异步方法，但又不需要做进一步的交互。

 1     private static void Main(string[] args) 2     { 3       Calculator.AddAsync(1, 2); 4  5       //一直在干活 6  7       Thread.Sleep(1000); //挂起1秒钟 8       Console.WriteLine("AddAsync 方法执行完成"); 9 10       Console.Read();11     }

Program.cs

 1   internal class Calculator 2   { 3     private static int Add(int n, int m) 4     { 5       return n + m; 6     } 7  8     public static async void AddAsync(int n, int m) 9     {10       int val = await Task.Run(() => Add(n, m));11       Console.WriteLine($"Result: {val}");12     }13   }

Calculator.cs

图6

图7

一、控制流

异步方法的结构可拆分成三个不同的区域：
（1）表达式之前的部分：从方法头到第一个 await 表达式之间的所有代码。
（2）await 表达式：将被异步执行的代码。
（3）表达式之后的部分：await 表达式的后续部分。

　　图1-1

　　该异步方法执行流程：从await表达式之前的地方开始，同步执行到第一个 await，标识着第一部分执行结束，一般来说此时 await 工作还没完成。当await 任务完成后，该方法将继续同步执行后续部分。在执行的后续部分中，如果依然存在 await，就重复上述过程。
　　当到达 await 表达式时，线程将从异步方法返回到调用方法。如果异步方法的返回类型为 Task 或 Task<T>，会创建一个 Task 对象，标识需要异步完成的任务，然后将 Task 返回来调用方法。

　　图1-2
　　异步方法的控制流：
　　①异步执行 await 表达式的空闲任务。
　　②await 表达式执行完成，继续执行后续部分。如再遇到 await 表达式，按相同情况进行处理。
　　③到达末尾或遇到 return 语句时，根据返回类型可以分三种情况：
　　　　a. void：退出控制流。
　　　　b.Task：设置 Task 的属性并退出。
　　　　c.Task<T>：设置 Task 的属性和返回值（Result 属性）并退出。
　　④同时，调用方法将继续执行，从异步方法获取 Task 对象。需要值的时候，会暂停等到 Task 对象的 Result 属性被赋值才会继续执行。

　　【难点】
　　①第一次遇到 await 所返回对象的类型。这个返回类型就是同步方法头的返回类型，跟await表达式的返回值没有关系。
　　②到达异步方法的末尾或遇到return 语句，它并没有真正的返回一个值，而是退出了该方法。

二、await 表达式

　　await 表达式指定了一个异步执行的任务。默认情况，该任务在当前线程异步执行。

　　每一个任务就是一个 awaitable 类的实例。awaitable 类型指包含 GetAwaiter() 方法的类型。

　　实际上，你并不需要构建自己的 awaitable，一般只需要使用 Task 类，它就是 awaitable。

　　最简单的方式是在方法中使用 Task.Run() 来创建一个 Task。【注意】它是在不同的线程上运行你的方法。

　　下面我们来看看示例。

 1   internal class Program 2   { 3     private static void Main(string[] args) 4     { 5       var t = Do.GetGuidAsync(); 6       t.Wait(); 7  8       Console.Read(); 9     }10 11 12     private class Do13     {14       /// <summary>15       /// 获取 Guid16       /// </summary>17       /// <returns></returns>18       private static Guid GetGuid()  //与Func<Guid> 兼容19       {20         return Guid.NewGuid();21       }22 23       /// <summary>24       /// 异步获取 Guid25       /// </summary>26       /// <returns></returns>27       public static async Task GetGuidAsync()28       {29         var myFunc = new Func<Guid>(GetGuid);30         var t1 = await Task.Run(myFunc);31 32         var t2 = await Task.Run(new Func<Guid>(GetGuid));33 34         var t3 = await Task.Run(() => GetGuid());35 36         var t4 = await Task.Run(() => Guid.NewGuid());37 38         Console.WriteLine($"t1: {t1}");39         Console.WriteLine($"t2: {t2}");40         Console.WriteLine($"t3: {t3}");41         Console.WriteLine($"t4: {t4}");42       }43     }44   }

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图2-1

图2-2

　　上面 4 个 Task.Run() 都是采用了 Task Run(Func<TReturn> func) 形式。

　　Task.Run() 支持 4 中不同的委托类型所表示的方法：Action、Func<TResult>、Func<Task> 和 Func<Task<TResult>>

 1   internal class Program 2   { 3     private static void Main(string[] args) 4     { 5       var t = Do.GetGuidAsync(); 6       t.Wait(); 7  8       Console.Read(); 9     }10 11     private class Do12     {13       public static async Task GetGuidAsync()14       {15         await Task.Run(() => { Console.WriteLine(Guid.NewGuid()); });  //Action16 17         Console.WriteLine(await Task.Run(() => Guid.NewGuid()));  //Func<TResult>18 19         await Task.Run(() => Task.Run(() => { Console.WriteLine(Guid.NewGuid()); }));  //Func<Task>20 21         Console.WriteLine(await Task.Run(() => Task.Run(() => Guid.NewGuid())));  //Func<Task<TResult>>22       }23     }24   }

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