C# 异步编程中 await 实现原理详解
在C#中，async 和 await 关键字用于编写异步代码。本文将详细介绍 await 的实现原理，包括状态机的生成、回调函数的注册和触发等关键步骤。
1. 异步方法的基本概念
在C#中，async 关键字标记一个方法为异步方法，而 await 关键字用于等待一个异步操作完成。异步方法可以提高程序的响应性和性能，特别是在处理I/O操作和网络请求时。
2. 示例异步方法
我们以一个简单的异步方法为例，来详细解释 await 的实现原理。
public class Example
{
public async Task<int> CalculateAsync()
{
int a = await Task.Run(() => 10);
int b = await Task.Run(() => 20);
return a + b;
}
}
3. 编译器生成的状态机
编译器会为每个异步方法生成一个状态机。状态机是一个结构体，包含了异步方法的所有局部变量和状态信息。
编译器生成的状态机类
public class Example
{
public Task<int> CalculateAsync()
{
<CalculateAsync>d__0 stateMachine = new <CalculateAsync>d__0();
stateMachine.<>4__this = this;
stateMachine.<>t__builder = AsyncTaskMethodBuilder<int>.Create();
stateMachine.<>1__state = -1;
stateMachine.<>t__builder.Start(ref stateMachine);
return stateMachine.<>t__builder.Task;
}
[StructLayout(LayoutKind.Auto)]
[AsyncMethodBuilder(typeof(AsyncTaskMethodBuilder<int>))]
private struct <CalculateAsync>d__0 : IAsyncStateMachine
{
public int <>1__state;
public AsyncTaskMethodBuilder<int> <>t__builder;
public Example <>4__this;
public int <a>5__1;
public TaskAwaiter<int> <>u__1;
private void MoveNext()
{
int num = <>1__state;
try
{
TaskAwaiter<int> awaiter;
switch (num)
{
case 0:
goto TR_0000;
case 1:
<>1__state = -1;
awaiter = <>u__1;
<>u__1 = default(TaskAwaiter<int>);
goto TR_0001;
case 2:
<>1__state = -1;
break;
default:
<>1__state = 0;
awaiter = Task.Run<int>(() => 10).GetAwaiter();
if (!awaiter.IsCompleted)
{
num = (<>1__state = 0);
<>u__1 = awaiter;
<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);
return;
}
goto TR_0000;
}
TR_0000:
<a>5__1 = awaiter.GetResult();
awaiter = Task.Run<int>(() => 20).GetAwaiter();
if (!awaiter.IsCompleted)
{
num = (<>1__state = 1);
<>u__1 = awaiter;
<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);
return;
}
TR_0001:
int b = awaiter.GetResult();
int result = <a>5__1 + b;
<>1__state = -2;
<>t__builder.SetResult(result);
}
catch (Exception exception)
{
<>1__state = -2;
<>t__builder.SetException(exception);
}
}
[DebuggerHidden]
private void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine)
{
}
}
}
4. 实现流程详解
初始化状态机
在 CalculateAsync 方法中，创建状态机实例 <CalculateAsync>d__0。
<CalculateAsync>d__0 stateMachine = new <CalculateAsync>d__0();
stateMachine.<>4__this = this;
stateMachine.<>t__builder = AsyncTaskMethodBuilder<int>.Create();
stateMachine.<>1__state = -1;
<>4__this：指向当前实例，即Example类的实例。<>t__builder：创建AsyncTaskMethodBuilder<int>实例，用于管理任务的生命周期。<>1__state：初始化状态为-1，表示方法尚未开始执行。
开始执行
调用 Start 方法开始执行异步方法。Start 方法会调用状态机的 MoveNext 方法。
stateMachine.<>t__builder.Start(ref stateMachine);
执行方法体
在 MoveNext 方法中，根据当前状态 <>1__state 执行相应的代码。
private void MoveNext()
{
int num = <>1__state;
try
{
TaskAwaiter<int> awaiter;
switch (num)
{
// 处理不同的状态
}
}
catch (Exception exception)
{
<>1__state = -2;
<>t__builder.SetException(exception);
}
}
遇到 await
遇到第一个 await 关键字时，调用 Task.Run(() => 10).GetAwaiter() 获取 Awaiter 对象。
awaiter = Task.Run<int>(() => 10).GetAwaiter();
- 检查
awaiter.IsCompleted，如果任务已经完成，直接调用awaiter.GetResult()获取结果。 - 如果任务未完成，记录当前状态
<>1__state，保存awaiter对象，并调用<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted注册回调。
if (!awaiter.IsCompleted)
{
num = (<>1__state = 0);
<>u__1 = awaiter;
<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);
return;
}
注册回调
AwaitUnsafeOnCompleted 方法会注册一个回调，当任务完成时，回调会被触发。
public void AwaitUnsafeOnCompleted<TAwaiter, TStateMachine>(ref TAwaiter awaiter, ref TStateMachine stateMachine)
where TAwaiter : ICriticalNotifyCompletion
where TStateMachine : IAsyncStateMachine
{
awaiter.UnsafeOnCompleted(stateMachine.MoveNext);
}
awaiter.UnsafeOnCompleted方法注册一个回调函数，该回调函数会在任务完成时被触发。stateMachine.MoveNext是一个委托，指向状态机的MoveNext方法。
任务完成
当任务完成时，回调会被触发，重新调用 MoveNext 方法，恢复异步方法的执行。
public void OnCompleted(Action continuation)
{
task.ContinueWith(_ => continuation(), TaskScheduler.Default);
}
继续执行
从上次暂停的地方继续执行方法体。
TR_0000:
<a>5__1 = awaiter.GetResult();
awaiter = Task.Run<int>(() => 20).GetAwaiter();
if (!awaiter.IsCompleted)
{
num = (<>1__state = 1);
<>u__1 = awaiter;
<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);
return;
}
- 遇到第二个
await关键字时，重复上述步骤。
方法完成
当所有异步操作完成并计算出结果后，设置状态 <>1__state 为 -2，表示方法已经完成。
int b = awaiter.GetResult();
int result = <a>5__1 + b;
<>1__state = -2;
<>t__builder.SetResult(result);
- 调用
<>t__builder.SetResult设置任务的结果。 - 如果在执行过程中抛出异常，捕获异常并调用
<>t__builder.SetException设置任务的异常。
catch (Exception exception)
{
<>1__state = -2;
<>t__builder.SetException(exception);
}
5. 深入理解 AsyncTaskMethodBuilder
AsyncTaskMethodBuilder 是一个辅助类，用于构建和管理异步方法的任务。它提供了以下方法：
Create：创建一个新的AsyncTaskMethodBuilder实例。Start：开始执行异步方法，调用状态机的MoveNext方法。AwaitUnsafeOnCompleted：注册回调函数，当任务完成时触发回调。SetResult：设置任务的结果。SetException：设置任务的异常。
AsyncTaskMethodBuilder 的内部实现
AsyncTaskMethodBuilder 内部维护了一个 Task 对象，用于表示异步操作的结果。当异步方法完成时，SetResult 方法会设置任务的结果，SetException 方法会设置任务的异常。
public struct AsyncTaskMethodBuilder<TResult>
{
private Task<TResult> task;
public static AsyncTaskMethodBuilder<TResult> Create()
{
return new AsyncTaskMethodBuilder<TResult>(new Task<TResult>());
}
private AsyncTaskMethodBuilder(Task<TResult> task)
{
this.task = task;
}
public void Start<TStateMachine>(ref TStateMachine stateMachine)
where TStateMachine : IAsyncStateMachine
{
stateMachine.MoveNext();
}
public void AwaitOnCompleted<TAwaiter, TStateMachine>(ref TAwaiter awaiter, ref TStateMachine stateMachine)
where TAwaiter : INotifyCompletion
where TStateMachine : IAsyncStateMachine
{
awaiter.OnCompleted(stateMachine.MoveNext);
}
public void AwaitUnsafeOnCompleted<TAwaiter, TStateMachine>(ref TAwaiter awaiter, ref TStateMachine stateMachine)
where TAwaiter : ICriticalNotifyCompletion
where TStateMachine : IAsyncStateMachine
{
awaiter.UnsafeOnCompleted(stateMachine.MoveNext);
}
public void SetResult(TResult result)
{
task.SetResult(result);
}
public void SetException(Exception exception)
{
task.SetException(exception);
}
public Task<TResult> Task => task;
}
6. 异步方法的生命周期
异步方法的生命周期可以分为以下几个阶段：
- 初始化：创建状态机实例，初始化状态和任务构建器。
- 开始执行：调用
Start方法开始执行异步方法。 - 执行方法体：在
MoveNext方法中，根据当前状态执行相应的代码。 - 遇到
await：检查任务是否完成，如果未完成则注册回调并暂停方法执行。 - 任务完成：回调被触发，重新调用
MoveNext方法，恢复异步方法的执行。 - 方法完成：所有异步操作完成，设置任务的结果或异常。
7. 异步方法的优势
使用 async 和 await 编写的异步方法有以下优势：
- 提高响应性：异步方法不会阻塞主线程，应用程序可以继续响应用户的输入和其他事件。
- 提高性能：异步方法可以并发执行多个任务，充分利用系统资源。
- 简化代码：异步方法的代码结构类似于同步方法，易于理解和维护。
8. 异步方法的注意事项
尽管 async 和 await 提供了许多优势，但在使用时也需要注意以下几点：
- 避免
async void：async void方法主要用于事件处理程序，其他情况下应避免使用，因为它无法被等待，并且异常处理较为困难。 - 异常处理：异步方法中的异常会被包装在
AggregateException中，需要特殊处理。 - 资源管理：异步方法中使用
using语句时，需要注意Dispose方法的调用时机。
9. 完整的流程图
为了更好地理解这个过程，可以用流程图来展示：
总结
通过上述详细的解释和示例代码，我们可以总结出以下几点：
- 异步方法的基本概念：
async和await关键字用于编写异步代码。 - 状态机的生成：编译器为每个异步方法生成一个状态机，包含所有局部变量和状态信息。
MoveNext方法的执行：MoveNext方法是状态机的核心，负责管理和执行异步操作。- 回调函数的注册和触发：
- 当遇到
await关键字时，编译器会生成代码来检查任务是否已经完成。 - 如果任务未完成，注册回调并暂停方法执行。
- 当任务完成时，回调函数会被触发，重新调用状态机的
MoveNext方法，从而恢复异步方法的执行。
- 当遇到
AwaitUnsafeOnCompleted方法的作用：在任务完成时注册一个回调函数，回调函数会在任务完成后被触发，从而恢复异步方法的执行。
希望这些解释能帮助你更好地理解 await 实现原理。如果你还有任何疑问，请随时提问！
详情请看：https://www.cnblogs.com/Bob-luo/p/18518463
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