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前言

最近在學習Web Api框架的時候接觸到了async/await，這個特性是.NET 4.5引入的，由于之前對于異步編程不是很了解，所以花費了一些時間學習一下相關的知識，并整理成這篇博客，如果在閱讀的過程中發(fā)現(xiàn)不對的地方，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，運行在同一個線程中，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，實現(xiàn)不同代碼的并行運行。

前臺線程與后臺線程

關于多線程，早在.NET2.0時代，基礎類庫中就提供了Thread實現(xiàn)。默認情況下，實例化一個Thread創(chuàng)建的是前臺線程，只要有前臺線程在運行，應用程序的進程就一直處于運行狀態(tài)，以控制臺應用程序為例，在Main方法中實例化一個Thread，這個Main方法就會等待Thread線程執(zhí)行完畢才退出。而對于后臺線程，應用程序將不考慮其是否執(zhí)行完畢，只要應用程序的主線程和前臺線程執(zhí)行完畢就可以退出，退出后所有的后臺線程將被自動終止。來看代碼應該更清楚一些：

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");

//實例化Thread，默認創(chuàng)建前臺線程

Thread t1 = new Thread(DoRun1);

t1.Start();

//可以通過修改Thread的IsBackground，將其變?yōu)楹笈_線程

Thread t2 = new Thread(DoRun2) { IsBackground = true };

t2.Start();

Console.WriteLine("主線程結束");

}

static void DoRun1()

{

Thread.Sleep(500);

Console.WriteLine("這是前臺線程調用");

}

static void DoRun2()

{

Thread.Sleep(1500);

Console.WriteLine("這是后臺線程調用");

}

}

}

運行上面的代碼，可以看到DoRun2方法的打印信息“這是后臺線程調用”將不會被顯示出來，因為應用程序執(zhí)行完主線程和前臺線程后，就自動退出了，所有的后臺線程將被自動終止。這里后臺線程設置了等待1.5s，假如這個后臺線程比前臺線程或主線程提前執(zhí)行完畢，對應的信息“這是后臺線程調用”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。這里將以一個簡單的Demo來看一下Task的使用，同時與Thread的創(chuàng)建方式做一下對比。

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");

//.NET 4.5引入了Task.Run靜態(tài)方法來啟動一個線程

Task.Run(() => { Thread.Sleep(1000); Console.WriteLine("Task1啟動"); });

//Task啟動的是后臺線程，假如要在主線程中等待后臺線程執(zhí)行完畢，可以調用Wait方法

Task task = Task.Run(() => { Thread.Sleep(500); Console.WriteLine("Task2啟動"); });

task.Wait();

Console.WriteLine("主線程結束");

}

}

}

Task的使用

首先，必須明確一點是Task啟動的線程是后臺線程，不過可以通過在Main方法中調用task.Wait()方法，使應用程序等待task執(zhí)行完畢。Task與Thread的一個重要區(qū)分點是：Task底層是使用線程池的，而Thread每次實例化都會創(chuàng)建一個新的線程。這里可以通過這段代碼做一次驗證：

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(); });

}

//讓應用程序不立即退出

Console.Read();

}

}

}

Task底層使用線程池

運行代碼，可以看到DoRun1()方法每次的Thread Id都是不同的，而DoRun2()方法的Thread Id是重復出現(xiàn)的。我們知道線程的創(chuàng)建和銷毀是一個開銷比較大的操作，Task.Run()每次執(zhí)行將不會立即創(chuàng)建一個新線程，而是到CLR線程池查看是否有空閑的線程，有的話就取一個線程處理這個請求，處理完請求后再把線程放回線程池，這個線程也不會立即撤銷，而是設置為空閑狀態(tài)，可供線程池再次調度，從而減少開銷。

Task<TResult>

Task<TResult>是Task的泛型版本，這兩個之間的最大不同是Task<TResult>可以有一個返回值，看一下代碼應該一目了然：

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("主線程結束");

}

}

}

Task<TResult>的使用

Task<TResult>的實例對象有一個Result屬性，當在Main方法中調用task.Result的時候，將等待task執(zhí)行完畢并得到返回值，這里的效果跟調用task.Wait()是一樣的，只是多了一個返回值。

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-------");

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關鍵字。async用來修飾方法，表明這個方法是異步的，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TResult的值，如上述Demo中的異步方法返回一個int。

再來看一下await關鍵字。await必須用來修飾Task或Task<TResult>，而且只能出現(xiàn)在已經(jīng)用async關鍵字修飾的異步方法中。

通常情況下，async/await必須成對出現(xiàn)才有意義，假如一個方法聲明為async，但卻沒有使用await關鍵字，則這個方法在執(zhí)行的時候就被當作同步方法，這時編譯器也會拋出警告提示async修飾的方法中沒有使用await，將被作為同步方法使用。了解了關鍵字asyncawait的特點后，我們來看一下上述Demo在控制臺會輸入什么吧。

輸出的結果已經(jīng)很明確地告訴我們整個執(zhí)行流程了。GetLengthAsync異步方法剛開始是同步執(zhí)行的，所以”GetLengthAsync Start”字符串會被打印出來，直到遇到第一個await關鍵字，真正的異步任務GetStringAsync開始執(zhí)行，await相當于起到一個標記/喚醒點的作用，同時將控制權放回給Main方法，”Main方法做其他事情”字符串會被打印出來。之后由于Main方法需要訪問到task.Result，所以就會等待異步方法GetLengthAsync的執(zhí)行，而GetLengthAsync又等待GetStringAsync的執(zhí)行，一旦GetStringAsync執(zhí)行完畢，就會回到await GetStringAsync這個點上執(zhí)行往下執(zhí)行，這時”GetLengthAsync End”字符串就會被打印出來。

當然，我們也可以使用下面的方法完成上面控制臺的輸出。

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-------");

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

對比兩種方法，是不是asyncawait關鍵字的原理其實就是通過使用一個線程完成異步調用嗎？答案是否定的。async關鍵字表明可以在方法內部使用await關鍵字，方法在執(zhí)行到await前都是同步執(zhí)行的，運行到await處就會掛起，并返回到Main方法中，直到await標記的Task執(zhí)行完畢，才喚醒回到await點上，繼續(xù)向下執(zhí)行。更深入點的介紹可以查看文章末尾的參考文獻。

async/await 實際應用

微軟已經(jīng)對一些基礎類庫的方法提供了異步實現(xiàn)，接下來將實現(xiàn)一個例子來介紹一下async/await的實際應用。

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;

}

}

}

Demo

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