前言
最近在學(xué)習(xí)Web Api框架的時(shí)候接觸到了async/await，這個(gè)特性是.NET 4.5引入的，由于之前對(duì)于異步編程不是很了解，所以花費(fèi)了一些時(shí)間學(xué)習(xí)一下相關(guān)的知識(shí)，并整理成這篇博客，如果在閱讀的過程中發(fā)現(xiàn)不對(duì)的地方，歡迎大家指正。
同步編程與異步編程
通常情況下，我們寫的C#代碼就是同步的，運(yùn)行在同一個(gè)線程中，從程序的第一行代碼到最后一句代碼順序執(zhí)行。而異步編程的核心是使用多線程，通過讓不同的線程執(zhí)行不同的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)不同代碼的并行運(yùn)行。
前臺(tái)線程與后臺(tái)線程
關(guān)于多線程，早在.NET2.0時(shí)代，基礎(chǔ)類庫中就提供了Thread實(shí)現(xiàn)。默認(rèn)情況下，實(shí)例化一個(gè)Thread創(chuàng)建的是前臺(tái)線程，只要有前臺(tái)線程在運(yùn)行，應(yīng)用程序的進(jìn)程就一直處于運(yùn)行狀態(tài)，以控制臺(tái)應(yīng)用程序?yàn)槔贛ain方法中實(shí)例化一個(gè)Thread，這個(gè)Main方法就會(huì)等待Thread線程執(zhí)行完畢才退出。而對(duì)于后臺(tái)線程，應(yīng)用程序?qū)⒉豢紤]其是否執(zhí)行完畢，只要應(yīng)用程序的主線程和前臺(tái)線程執(zhí)行完畢就可以退出，退出后所有的后臺(tái)線程將被自動(dòng)終止。來看代碼應(yīng)該更清楚一些：
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
namespace ConsoleApp
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("主線程開始");
//實(shí)例化Thread，默認(rèn)創(chuàng)建前臺(tái)線程
Thread t1 = new Thread(DoRun1);
t1.Start();
//可以通過修改Thread的IsBackground，將其變?yōu)楹笈_(tái)線程
Thread t2 = new Thread(DoRun2) { IsBackground = true };
t2.Start();
Console.WriteLine("主線程結(jié)束");
}
static void DoRun1()
{
Thread.Sleep(500);
Console.WriteLine("這是前臺(tái)線程調(diào)用");
}
static void DoRun2()
{
Thread.Sleep(1500);
Console.WriteLine("這是后臺(tái)線程調(diào)用");
}
}
}
運(yùn)行上面的代碼，可以看到DoRun2方法的打印信息“這是后臺(tái)線程調(diào)用”將不會(huì)被顯示出來，因?yàn)閼?yīng)用程序執(zhí)行完主線程和前臺(tái)線程后，就自動(dòng)退出了，所有的后臺(tái)線程將被自動(dòng)終止。這里后臺(tái)線程設(shè)置了等待1.5s，假如這個(gè)后臺(tái)線程比前臺(tái)線程或主線程提前執(zhí)行完畢，對(duì)應(yīng)的信息“這是后臺(tái)線程調(diào)用”將可以被成功打印出來。
Task
.NET 4.0推出了新一代的多線程模型Task。async/await特性是與Task緊密相關(guān)的，所以在了解async/await前必須充分了解Task的使用。這里將以一個(gè)簡(jiǎn)單的Demo來看一下Task的使用，同時(shí)與Thread的創(chuàng)建方式做一下對(duì)比。
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Web;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
namespace TestApp
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("主線程啟動(dòng)");
//.NET 4.5引入了Task.Run靜態(tài)方法來啟動(dòng)一個(gè)線程
Task.Run(() => { Thread.Sleep(1000); Console.WriteLine("Task1啟動(dòng)"); });
//Task啟動(dòng)的是后臺(tái)線程，假如要在主線程中等待后臺(tái)線程執(zhí)行完畢，可以調(diào)用Wait方法
Task task = Task.Run(() => { Thread.Sleep(500); Console.WriteLine("Task2啟動(dòng)"); });
task.Wait();
Console.WriteLine("主線程結(jié)束");
}
}
}
Task的使用
首先，必須明確一點(diǎn)是Task啟動(dòng)的線程是后臺(tái)線程，不過可以通過在Main方法中調(diào)用task.Wait()方法，使應(yīng)用程序等待task執(zhí)行完畢。Task與Thread的一個(gè)重要區(qū)分點(diǎn)是：Task底層是使用線程池的，而Thread每次實(shí)例化都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的線程。這里可以通過這段代碼做一次驗(yàn)證：
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Web;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
namespace TestApp
{
class Program
{
static void DoRun1()
{
Console.WriteLine("Thread Id =" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}
static void DoRun2()
{
Thread.Sleep(50);
Console.WriteLine("Task調(diào)用Thread Id =" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}
static void Main(string[] args)
{
for (int i = 0; i < 50; i++)
{
new Thread(DoRun1).Start();
}
for (int i = 0; i < 50; i++)
{
Task.Run(() => { DoRun2(); });
}
//讓應(yīng)用程序不立即退出
Console.Read();
}
}
}
Task底層使用線程池
運(yùn)行代碼，可以看到DoRun1()方法每次的Thread Id都是不同的，而DoRun2()方法的Thread Id是重復(fù)出現(xiàn)的。我們知道線程的創(chuàng)建和銷毀是一個(gè)開銷比較大的操作，Task.Run()每次執(zhí)行將不會(huì)立即創(chuàng)建一個(gè)新線程，而是到CLR線程池查看是否有空閑的線程，有的話就取一個(gè)線程處理這個(gè)請(qǐng)求，處理完請(qǐng)求后再把線程放回線程池，這個(gè)線程也不會(huì)立即撤銷，而是設(shè)置為空閑狀態(tài)，可供線程池再次調(diào)度，從而減少開銷。
Task<TResult>
Task<TResult>是Task的泛型版本，這兩個(gè)之間的最大不同是Task<TResult>可以有一個(gè)返回值，看一下代碼應(yīng)該一目了然：
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Web;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
namespace TestApp
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("主線程開始");
Task<string> task = Task<string>.Run(() => { Thread.Sleep(1000); return Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString(); });
Console.WriteLine(task.Result);
Console.WriteLine("主線程結(jié)束");
}
}
}
Task<TResult>的使用
Task<TResult>的實(shí)例對(duì)象有一個(gè)Result屬性，當(dāng)在Main方法中調(diào)用task.Result的時(shí)候，將等待task執(zhí)行完畢并得到返回值，這里的效果跟調(diào)用task.Wait()是一樣的，只是多了一個(gè)返回值。
async/await 特性
經(jīng)過前面的鋪墊，終于迎來了這篇文章的主角async/await，還是先通過代碼來感受一下這兩個(gè)特性的使用。
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Web;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
namespace TestApp
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("-------主線程啟動(dòng)-------");
Task<int> task = GetLengthAsync();
Console.WriteLine("Main方法做其他事情");
Console.WriteLine("Task返回的值" + task.Result);
Console.WriteLine("-------主線程結(jié)束-------");
}
static async Task<int> GetLengthAsync()
{
Console.WriteLine("GetLengthAsync Start");
string str = await GetStringAsync();
Console.WriteLine("GetLengthAsync End");
return str.Length;
}
static Task<string> GetStringAsync()
{
return Task<string>.Run(() => { Thread.Sleep(2000); return "finished"; });
}
}
}
async/await 用法
首先來看一下async關(guān)鍵字。async用來修飾方法，表明這個(gè)方法是異步的，聲明的方法的返回類型必須為：void或Task或Task<TResult>。返回類型為Task的異步方法中無需使用return返回值，而返回類型為Task<TResult>的異步方法中必須使用return返回一個(gè)TResult的值，如上述Demo中的異步方法返回一個(gè)int。
再來看一下await關(guān)鍵字。await必須用來修飾Task或Task<TResult>，而且只能出現(xiàn)在已經(jīng)用async關(guān)鍵字修飾的異步方法中。
通常情況下，async/await必須成對(duì)出現(xiàn)才有意義，假如一個(gè)方法聲明為async，但卻沒有使用await關(guān)鍵字，則這個(gè)方法在執(zhí)行的時(shí)候就被當(dāng)作同步方法，這時(shí)編譯器也會(huì)拋出警告提示async修飾的方法中沒有使用await，將被作為同步方法使用。了解了關(guān)鍵字asyncawait的特點(diǎn)后，我們來看一下上述Demo在控制臺(tái)會(huì)輸入什么吧。
輸出的結(jié)果已經(jīng)很明確地告訴我們整個(gè)執(zhí)行流程了。GetLengthAsync異步方法剛開始是同步執(zhí)行的，所以”GetLengthAsync Start”字符串會(huì)被打印出來，直到遇到第一個(gè)await關(guān)鍵字，真正的異步任務(wù)GetStringAsync開始執(zhí)行，await相當(dāng)于起到一個(gè)標(biāo)記/喚醒點(diǎn)的作用，同時(shí)將控制權(quán)放回給Main方法，”Main方法做其他事情”字符串會(huì)被打印出來。之后由于Main方法需要訪問到task.Result，所以就會(huì)等待異步方法GetLengthAsync的執(zhí)行，而GetLengthAsync又等待GetStringAsync的執(zhí)行，一旦GetStringAsync執(zhí)行完畢，就會(huì)回到await GetStringAsync這個(gè)點(diǎn)上執(zhí)行往下執(zhí)行，這時(shí)”GetLengthAsync End”字符串就會(huì)被打印出來。
當(dāng)然，我們也可以使用下面的方法完成上面控制臺(tái)的輸出。
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Web;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
namespace TestApp
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("-------主線程啟動(dòng)-------");
Task<int> task = GetLengthAsync();
Console.WriteLine("Main方法做其他事情");
Console.WriteLine("Task返回的值" + task.Result);
Console.WriteLine("-------主線程結(jié)束-------");
}
static Task<int> GetLengthAsync()
{
Console.WriteLine("GetLengthAsync Start");
Task<int> task = Task<int>.Run(() => { string str = GetStringAsync().Result;
Console.WriteLine("GetLengthAsync End");
return str.Length; });
return task;
}
static Task<string> GetStringAsync()
{
return Task<string>.Run(() => { Thread.Sleep(2000); return "finished"; });
}
}
}
不使用asyncawait
對(duì)比兩種方法，是不是asyncawait關(guān)鍵字的原理其實(shí)就是通過使用一個(gè)線程完成異步調(diào)用嗎？答案是否定的。async關(guān)鍵字表明可以在方法內(nèi)部使用await關(guān)鍵字，方法在執(zhí)行到await前都是同步執(zhí)行的，運(yùn)行到await處就會(huì)掛起，并返回到Main方法中，直到await標(biāo)記的Task執(zhí)行完畢，才喚醒回到await點(diǎn)上，繼續(xù)向下執(zhí)行。更深入點(diǎn)的介紹可以查看文章末尾的參考文獻(xiàn)。
async/await 實(shí)際應(yīng)用
微軟已經(jīng)對(duì)一些基礎(chǔ)類庫的方法提供了異步實(shí)現(xiàn)，接下來將實(shí)現(xiàn)一個(gè)例子來介紹一下async/await的實(shí)際應(yīng)用。
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Web;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using System.Net;
namespace TestApp
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("開始獲取博客園首頁字符數(shù)量");
Task<int> task1 = CountCharsAsync("");
Console.WriteLine("開始獲取百度首頁字符數(shù)量");
Task<int> task2 = CountCharsAsync("");
Console.WriteLine("Main方法中做其他事情");
Console.WriteLine("博客園:" + task1.Result);
Console.WriteLine("百度:" + task2.Result);
}
static async Task<int> CountCharsAsync(string url)
{
WebClient wc = new WebClient();
string result = await wc.DownloadStringTaskAsync(new Uri(url));
return result.Length;
}
}
}
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