1. 引言
在C#中,async和await关键字是用于实现异步编程的强大工具。它们的引入极大地简化了异步代码的编写,使得开发人员能够更容易地创建响应式和高性能的应用程序。但是,要真正理解它们的工作原理,我们需要深入探讨它们在底层到底在做什么。
2. 异步编程的基本概念
在深入async和await之前,我们需要理解一些基本概念:
- 同步执行: 代码按顺序执行,每个操作完成后才会进行下一个。
- 异步执行: 允许长时间运行的操作在后台进行,而不阻塞主线程。
- 任务(Task): 表示一个异步操作。
- 线程: 程序执行的最小单位。
3. Async 和 Await 的基本用法
让我们从一个简单的例子开始:
static async Task Main(string[] args)
{
var context = await GetWebContentAsync("http://www.baidu.com");
Console.WriteLine(context);
}
public static async Task<string> GetWebContentAsync(string url)
{
using (var client = new HttpClient())
{
string content = await client.GetStringAsync(url);
return content;
}
}
在这个例子中:
async关键字标记方法为异步方法。- 方法返回
Task,表示一个最终会产生string的异步操作。
await用于等待GetStringAsync方法完成,而不阻塞线程。
4. Async 方法的转换过程
当你使用async关键字标记一个方法时,编译器会将其转换为一个状态机。这个过程大致如下:
- 创建一个实现了
IAsyncStateMachine接口的结构体。
- 将方法体转换为状态机的
MoveNext方法。
- 每个
await表达式都成为一个可能的暂停点,对应状态机中的一个状态。
async方法如何被分解为多个步骤,每个await表达式对应一个状态。
5. Await 的工作原理
await关键字的主要作用是:
- 检查awaited任务是否已完成。
- 如果已完成,继续执行后续代码。
- 如果未完成,注册一个回调并返回控制权给调用者。
让我们通过一个例子来详细说明:
public async Task DoWorkAsync()
{
Console.WriteLine("开始工作");
await Task.Delay(1000); // 模拟耗时操作
Console.WriteLine("工作完成");
}
当执行到await Task.Delay(1000)时:
- 检查
Task.Delay(1000)是否已完成。
- 如果未完成:
- 创建一个continuation(后续操作),包含
await之后的代码。
- 将这个continuation注册到Task上。
- 返回控制权给调用者。
- 当
Task.Delay(1000)完成时:
- 触发注册的continuation。
- 恢复执行
await之后的代码。
6. 异步方法的执行流程
让我们通过一个更复杂的例子来理解异步方法的执行流程:
static async Task Main(string[] args)
{
await MainMethodAsync();
Console.ReadKey();
}
public static async Task MainMethodAsync()
{
Console.WriteLine("1. 开始主方法");
await Method1Async();
Console.WriteLine("4. 主方法结束");
}
public static async Task Method1Async()
{
Console.WriteLine("2. 开始方法1");
await Task.Delay(1000);
Console.WriteLine("3. 方法1结束");
}
执行流程如下:
MainMethodAsync开始执行,打印"1. 开始主方法"。- 遇到
await Method1Async(),进入Method1Async。
Method1Async打印"2. 开始方法1"。- 遇到
await Task.Delay(1000),注册continuation并返回。
- 控制权回到
MainMethodAsync,但因为Method1Async未完成,所以MainMethodAsync也返回。
- 1秒后,
Task.Delay完成,触发continuation。
Method1Async继续执行,打印"3. 方法1结束"。Method1Async完成,触发MainMethodAsync的continuation。MainMethodAsync继续执行,打印"4. 主方法结束"。
7. 异常处理
async/await模式下的异常处理非常直观。你可以使用常规的try/catch块，异步方法中抛出的异常会被封装在返回的Task中,并在await时重新抛出。
8. 避免常见陷阱
使用async/await时,有一些常见的陷阱需要注意:
8.1 死锁
考虑以下代码:
public async Task DeadlockDemoAsync()
{
await Task.Delay(1000).ConfigureAwait(false);
}
public void CallAsyncMethod()
{
DeadlockDemoAsync().Wait(); // 可能导致死锁
}
- 当在UI线程（或任何有同步上下文的线程）中调用
CallAsyncMethod()时，会发生死锁。
Wait()方法会阻塞当前线程，等待异步操作完成。- 当异步操作完成时，它默认会尝试在原始的同步上下文（通常是UI线程）上继续执行。
- 但是原始线程已经被
Wait()阻塞了，导致死锁。
8.2 忘记await
public async Task ForgetAwaitDemoAsync()
{
DoSomethingAsync(); // 忘记await
Console.WriteLine("完成"); // 这行可能在异步操作完成之前执行
}
始终记得在异步方法调用前使用await。
8.3 过度使用async void
除了事件处理程序外,应避免使用async void方法,因为它们的异常难以捕获和处理。
public async void BadAsyncVoidMethod()
{
await Task.Delay(1000);
throw new Exception("这个异常很难被捕获");
}
9. 高级模式
9.1 并行执行多个任务
使用Task.WhenAll可以并行执行多个异步任务:
public async Task ParallelExecutionDemo()
{
var task1 = DoWorkAsync(1);
var task2 = DoWorkAsync(2);
var task3 = DoWorkAsync(3);
await Task.WhenAll(task1, task2, task3);
Console.WriteLine("所有任务完成");
}
public async Task DoWorkAsync(int id)
{
await Task.Delay(1000);
Console.WriteLine($"任务 {id} 完成");
}
9.2 带超时的异步操作
使用Task.WhenAny和Task.Delay可以实现带超时的异步操作:
static async Task Main(string[] args)
{
await FetchDataWithTimeoutAsync("http://www.google.com",new TimeSpan(0, 0, 3));
Console.ReadKey();
}
static async Task<string> FetchDataWithTimeoutAsync(string url, TimeSpan timeout)
{
using (var client = new HttpClient())
{
var dataTask = client.GetStringAsync(url);
var timeoutTask = Task.Delay(timeout);
var completedTask = await Task.WhenAny(dataTask, timeoutTask);
if (completedTask == timeoutTask)
{
throw new TimeoutException("操作超时");
}
return await dataTask;
}
}
10. 结论
async和await极大地简化了C#中的异步编程,使得编写高效、响应式的应用程序变得更加容易。通过将复杂的异步操作转换为看似同步的代码,它们提高了代码的可读性和可维护性。
