[C#] 走进异步编程的世界

走进异步编程的世界 - 开始接触 async/await

序

　　这是学习异步编程的入门篇。

　　涉及 C# 5.0 引入的 async/await，但在控制台输出示例时经常会采用 C# 6.0 的 $"" 来拼接字符串，相当于string.Format() 方法。

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：

 1   class Program 2   { 3     //创建计时器 4     private static readonly Stopwatch Watch = new Stopwatch(); 5  6     private static void Main(string[] args) 7     { 8       //启动计时器 9       Watch.Start();10 11       const string url1 = "http://www.cnblogs.com/";12       const string url2 = "http://www.cnblogs.com/liqingwen/";13 14       //两次调用 CountCharacters 方法（下载某网站内容，并统计字符的个数）15       var result1 = CountCharacters(1, url1);16       var result2 = CountCharacters(2, url2);17 18       //三次调用 ExtraOperation 方法（主要是通过拼接字符串达到耗时操作）19       for (var i = 0; i < 3; i++)20       {21         ExtraOperation(i + 1);22       }23 24       //控制台输出25       Console.WriteLine($"{url1} 的字符个数：{result1}");26       Console.WriteLine($"{url2} 的字符个数：{result2}");27 28       Console.Read();29     }30 31     /// <summary>32     /// 统计字符个数33     /// </summary>34     /// <param name="id"></param>35     /// <param name="address"></param>36     /// <returns></returns>37     private static int CountCharacters(int id, string address)38     {39       var wc = new WebClient();40       Console.WriteLine($"开始调用 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");41 42       var result = wc.DownloadString(address);43       Console.WriteLine($"调用完成 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");44 45       return result.Length;46     }47 48     /// <summary>49     /// 额外操作50     /// </summary>51     /// <param name="id"></param>52     private static void ExtraOperation(int id)53     {54       //这里是通过拼接字符串进行一些相对耗时的操作55       var s = "";56 57       for (var i = 0; i < 6000; i++)58       {59         s += i;60       }61 62       Console.WriteLine($"id = {id} 的 ExtraOperation 方法完成：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");63     }64   }

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。

 1   class Program 2   { 3     //创建计时器 4     private static readonly Stopwatch Watch = new Stopwatch(); 5  6     private static void Main(string[] args) 7     { 8       //启动计时器 9       Watch.Start();10 11       const string url1 = "http://www.cnblogs.com/";12       const string url2 = "http://www.cnblogs.com/liqingwen/";13 14       //两次调用 CountCharactersAsync 方法（异步下载某网站内容，并统计字符的个数）15       Task<int> t1 = CountCharactersAsync(1, url1);16       Task<int> t2 = CountCharactersAsync(2, url2);17 18       //三次调用 ExtraOperation 方法（主要是通过拼接字符串达到耗时操作）19       for (var i = 0; i < 3; i++)20       {21         ExtraOperation(i + 1);22       }23 24       //控制台输出25       Console.WriteLine($"{url1} 的字符个数：{t1.Result}");26       Console.WriteLine($"{url2} 的字符个数：{t2.Result}");27 28       Console.Read();29     }30 31     /// <summary>32     /// 统计字符个数33     /// </summary>34     /// <param name="id"></param>35     /// <param name="address"></param>36     /// <returns></returns>37     private static async Task<int> CountCharactersAsync(int id, string address)38     {39       var wc = new WebClient();40       Console.WriteLine($"开始调用 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");41 42       var result = await wc.DownloadStringTaskAsync(address);43       Console.WriteLine($"调用完成 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");44 45       return result.Length;46     }47 48     /// <summary>49     /// 额外操作50     /// </summary>51     /// <param name="id"></param>52     private static void ExtraOperation(int id)53     {54       //这里是通过拼接字符串进行一些相对耗时的操作55       var s = "";56 57       for (var i = 0; i < 6000; i++)58       {59         s += i;60       }61 62       Console.WriteLine($"id = {id} 的 ExtraOperation 方法完成：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");63     }64   }

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**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。