引言 同步代碼存在的問(wèn)題 傳統(tǒng)的異步編程改善程序的響應(yīng) C# 5.0 提供的async和await使異步編程更簡(jiǎn)單 async和await關(guān)鍵字剖析 小結(jié)
一、引言在之前的C#基礎(chǔ)知識(shí)系列文章中只介紹了從C#1.0到C#4.0中主要的特性,然而.NET 4.5 的推出,對(duì)于C#又有了新特性的增加——就是C#5.0中async和await兩個(gè)關(guān)鍵字,這兩個(gè)關(guān)鍵字簡(jiǎn)化了異步編程,之所以簡(jiǎn)化了,還是因?yàn)榫幾g器給我們做了更多的工作,下面就具體看看編譯器到底在背后幫我們做了哪些復(fù)雜的工作的。 二、同步代碼存在的問(wèn)題對(duì)于同步的代碼,大家肯定都不陌生,因?yàn)槲覀兤匠?xiě)的代碼大部分都是同步的,然而同步代碼卻存在一個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題,例如我們向一個(gè)Web服務(wù)器發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求時(shí),如果我們發(fā)出請(qǐng)求的代碼是同步實(shí)現(xiàn)的話,這時(shí)候我們的應(yīng)用程序就會(huì)處于等待狀態(tài),直到收回一個(gè)響應(yīng)信息為止,然而在這個(gè)等待的狀態(tài),對(duì)于用戶不能操作任何的UI界面以及也沒(méi)有任何的消息,如果我們?cè)噲D去操作界面時(shí),此時(shí)我們就會(huì)看到"應(yīng)用程序?yàn)轫憫?yīng)"的信息(在應(yīng)用程序的窗口旁),相信大家在平常使用桌面軟件或者訪問(wèn)web的時(shí)候,肯定都遇到過(guò)這樣類似的情況的,對(duì)于這個(gè),大家肯定會(huì)覺(jué)得看上去非常不舒服。引起這個(gè)原因正是因?yàn)榇a的實(shí)現(xiàn)是同步實(shí)現(xiàn)的,所以在沒(méi)有得到一個(gè)響應(yīng)消息之前,界面就成了一個(gè)"卡死"狀態(tài)了,所以這對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)肯定是不可接受的,因?yàn)槿绻乙獜姆?wù)器上下載一個(gè)很大的文件時(shí),此時(shí)我們甚至不能對(duì)窗體進(jìn)行關(guān)閉的操作的。為了具體說(shuō)明同步代碼存在的問(wèn)題(造成界面開(kāi)始),下面通過(guò)一個(gè)程序讓大家更形象地看下問(wèn)題所在: // 單擊事件 private void btnClick_Click(object sender, EventArgs e) { this.btnClick.Enabled = false; long length = AccessWeb(); this.btnClick.Enabled = true; // 這里可以做一些不依賴回復(fù)的操作 OtherWork(); this.richTextBox1.Text += String.Format("\n 回復(fù)的字節(jié)長(zhǎng)度為: {0}.\r\n", length); txbMainThreadID.Text = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString(); } private long AccessWeb() { MemoryStream content = new MemoryStream(); // 對(duì)MSDN發(fā)起一個(gè)Web請(qǐng)求 HttpWebRequest webRequest = WebRequest.Create("http://msdn.microsoft.com/zh-cn/") as HttpWebRequest; if (webRequest != null) { // 返回回復(fù)結(jié)果 using (WebResponse response = webRequest.GetResponse()) { using (Stream responseStream = response.GetResponseStream()) { responseStream.CopyTo(content); } } } txbAsynMethodID.Text = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString(); return content.Length; } 運(yùn)行程序后,當(dāng)我們點(diǎn)擊窗體的 "點(diǎn)擊我"按鈕之后,在得到服務(wù)器響應(yīng)之前,我們不能對(duì)窗體進(jìn)行任何的操作,包括移動(dòng)窗體,關(guān)閉窗體等,具體運(yùn)行結(jié)果如下: 三、傳統(tǒng)的異步編程來(lái)改善程序的響應(yīng)上面部分我們已經(jīng)看到同步方法所帶來(lái)的實(shí)際問(wèn)題了,為了解決類似的問(wèn)題,.NET Framework很早就提供了對(duì)異步編程的支持,下面就用.NET 1.0中提出的異步編程模型(APM)來(lái)解決上面的問(wèn)題,具體代碼如下(注釋的部分通過(guò)獲得GUI線程的同步上文對(duì)象,然后同步調(diào)用同步上下文對(duì)象的post方法把要調(diào)用的方法交給GUI線程去處理,因?yàn)榭丶緛?lái)就是由GUI線程創(chuàng)建的,然后由它自己執(zhí)行訪問(wèn)控件的操作就不存在跨線程的問(wèn)題了,程序中使用的是調(diào)用RichTextBox控件的Invoke方式來(lái)異步回調(diào)訪問(wèn)控件的方法,其實(shí)背后的原來(lái)和注釋部分是一樣的,調(diào)用RichTextBox控件的Invoke方法可以獲得創(chuàng)建RichTextBox控件的線程信息(也就是前一種方式的同步上下文),然后讓Invoke回調(diào)的方法在該線程上運(yùn)行): private void btnClick_Click(object sender, EventArgs e) { this.richTextBox1.Clear(); btnClick.Enabled = false; AsyncMethodCaller caller = new AsyncMethodCaller(TestMethod); IAsyncResult result = caller.BeginInvoke(GetResult, null); //// 捕捉調(diào)用線程的同步上下文派生對(duì)象 //sc= SynchronizationContext.Current; } # region 使用APM實(shí)現(xiàn)異步編程 // 同步方法 private string TestMethod() { // 模擬做一些耗時(shí)的操作 // 實(shí)際項(xiàng)目中可能是讀取一個(gè)大文件或者從遠(yuǎn)程服務(wù)器中獲取數(shù)據(jù)等。 for (int i = 0; i < 10; i++) { Thread.Sleep(200); } return "點(diǎn)擊我按鈕事件完成"; } // 回調(diào)方法 private void GetResult(IAsyncResult result) { AsyncMethodCaller caller = (AsyncMethodCaller)((AsyncResult)result).AsyncDelegate; // 調(diào)用EndInvoke去等待異步調(diào)用完成并且獲得返回值 // 如果異步調(diào)用尚未完成,則 EndInvoke 會(huì)一直阻止調(diào)用線程,直到異步調(diào)用完成 string resultvalue = caller.EndInvoke(result); //sc.Post(ShowState,resultvalue); richTextBox1.Invoke(showStateCallback, resultvalue); } // 顯示結(jié)果到richTextBox private void ShowState(object result) { richTextBox1.Text = result.ToString(); btnClick.Enabled = true; } // 顯示結(jié)果到richTextBox //private void ShowState(string result) //{ // richTextBox1.Text = result; // btnClick.Enabled = true; //} #endregion 運(yùn)行的結(jié)果為: 四、C# 5.0 提供的async和await使異步編程更簡(jiǎn)單上面部分演示了使用傳統(tǒng)的異步編程模型(APM)來(lái)解決同步代碼所存在的問(wèn)題,然而在.NET 2.0,.NET 4.0和.NET 4.5中,微軟都有推出新的方式來(lái)解決同步代碼的問(wèn)題,他們分別為基于事件的異步模式,基于任務(wù)的異步模式和提供async和await關(guān)鍵字來(lái)對(duì)異步編程支持。關(guān)于前兩種異步編程模式,在我前面的文章中都有介紹,大家可以查看相關(guān)文章進(jìn)行詳細(xì)地了解,本部分就C# 5.0中的async和await這兩個(gè)關(guān)鍵字如何實(shí)現(xiàn)異步編程的問(wèn)題來(lái)給大家介紹下。下面通過(guò)代碼來(lái)了解下如何使用async和await關(guān)鍵字來(lái)實(shí)現(xiàn)異步編程,并且大家也可以參看前面的博客來(lái)對(duì)比理解使用async和await是異步編程更簡(jiǎn)單。 private async void btnClick_Click(object sender, EventArgs e) { long length = await AccessWebAsync(); // 這里可以做一些不依賴回復(fù)的操作 OtherWork(); this.richTextBox1.Text += String.Format("\n 回復(fù)的字節(jié)長(zhǎng)度為: {0}.\r\n", length); txbMainThreadID.Text = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString(); } // 使用C# 5.0中提供的async 和await關(guān)鍵字來(lái)定義異步方法 // 從代碼中可以看出C#5.0 中定義異步方法就像定義同步方法一樣簡(jiǎn)單。 // 使用async 和await定義異步方法不會(huì)創(chuàng)建新線程, // 它運(yùn)行在現(xiàn)有線程上執(zhí)行多個(gè)任務(wù). // 此時(shí)不知道大家有沒(méi)有一個(gè)疑問(wèn)的?在現(xiàn)有線程上(即UI線程上)運(yùn)行一個(gè)耗時(shí)的操作時(shí), // 為什么不會(huì)堵塞UI線程的呢? // 這個(gè)問(wèn)題的答案就是 當(dāng)編譯器看到await關(guān)鍵字時(shí),線程會(huì) private async Task<long> AccessWebAsync() { MemoryStream content = new MemoryStream(); // 對(duì)MSDN發(fā)起一個(gè)Web請(qǐng)求 HttpWebRequest webRequest = WebRequest.Create("http://msdn.microsoft.com/zh-cn/") as HttpWebRequest; if (webRequest != null) { // 返回回復(fù)結(jié)果 using (WebResponse response = await webRequest.GetResponseAsync()) { using (Stream responseStream = response.GetResponseStream()) { await responseStream.CopyToAsync(content); } } } txbAsynMethodID.Text = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString() ; return content.Length; } private void OtherWork() { this.richTextBox1.Text += "\r\n等待服務(wù)器回復(fù)中.................\n"; } 運(yùn)行結(jié)果如下: 五、async和await關(guān)鍵字剖析我們對(duì)比下上面使用async和await關(guān)鍵字來(lái)實(shí)現(xiàn)異步編程的代碼和在第二部分的同步代碼,有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)使用async和await關(guān)鍵字的異步實(shí)現(xiàn)和同步代碼的實(shí)現(xiàn)很像,只是異步實(shí)現(xiàn)中多了async和await關(guān)鍵字和調(diào)用的方法都多了async后綴而已。正是因?yàn)樗麄兊膶?shí)現(xiàn)很像,所以我在第四部分才命名為使用async和await使異步編程更簡(jiǎn)單,就像我們?cè)趯?xiě)同步代碼一樣,并且代碼的coding思路也是和同步代碼一樣,這樣就避免考慮在APM中委托的回調(diào)等復(fù)雜的問(wèn)題,以及在EAP中考慮各種事件的定義。從代碼部分我們可以看出async和await的使用確實(shí)很簡(jiǎn)單,我們就如在寫(xiě)同步代碼一般,但是我很想知道編譯器到底給我們做了怎樣的處理的?并且從運(yùn)行結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),運(yùn)行異步方法的線程和GUI線程的ID是一樣的,也就是說(shuō)異步方法的運(yùn)行在GUI線程上,所以就不用像APM中那樣考慮跨線程訪問(wèn)的問(wèn)題了(因?yàn)橥ㄟ^(guò)委托的BeginInvoke方法來(lái)進(jìn)行回調(diào)方法時(shí),回調(diào)方法是在線程池線程上執(zhí)行的)。下面就用反射工具看看編譯器把我們的源碼編譯成什么樣子的: 對(duì)于按鈕點(diǎn)擊事件的代碼來(lái)說(shuō),編譯器生成的背后代碼卻是下面這樣的,完全和我們?cè)创a中的兩個(gè)樣: // 編譯器為按鈕Click事件生成的代碼 private void btnClick_Click(object sender, EventArgs e) { <btnClick_Click>d__0 d__; d__.<>4__this = this; d__.sender = sender; d__.e = e; d__.<>t__builder = AsyncVoidMethodBuilder.Create(); d__.<>1__state = -1; d__.<>t__builder.Start<<btnClick_Click>d__0>(ref d__); } 看到上面的代碼,作為程序員的我想說(shuō)——編譯器你怎么可以這樣呢?怎么可以任意篡改我的代碼呢?這樣不是侵犯我的版權(quán)了嗎?你要改最起碼應(yīng)該告訴我一聲吧,如果我的源碼看到它在編譯器中的實(shí)現(xiàn)是上面那樣的,我相信我的源碼會(huì)說(shuō)——難道我中了世間上最惡毒的面目全非腳嗎? 好吧,為了讓大家更好地理清編譯器背后到底做了什么事情,下面就順著上面的代碼摸瓜,我也來(lái)展示耍一套還我漂漂拳來(lái)幫助大家找到編譯器代碼和源碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系。我的分析思路為: 1、提出問(wèn)題——我的click事件的源碼到哪里去了呢? 從編譯器代碼我們可以看到,前面的7句代碼都是對(duì)某個(gè)類進(jìn)行賦值的操作,最真正起作用的就是最后Start方法的調(diào)用。這里又產(chǎn)生了幾個(gè)疑問(wèn)——<btnClick_Click>d__0是什么類型? 該類型中的<>t__builder字段類型的Start方法到底是做什么用的? 有了這兩個(gè)疑問(wèn),我們就點(diǎn)擊<btnClick_Click>d__0(反射工具可以讓我們直接點(diǎn)擊查看)來(lái)看看它是什么類型 // <btnClick_Click>d__0類型的定義,從下面代碼可以看出它是一個(gè)結(jié)構(gòu)體 // 該類型是編譯器生成的一個(gè)嵌入類型 // 看到該類型的實(shí)現(xiàn)有沒(méi)有讓你聯(lián)想到什么? private struct <btnClick_Click>d__0 : IAsyncStateMachine { // Fields public int <>1__state; public Form1 <>4__this; public AsyncVoidMethodBuilder <>t__builder; private object <>t__stack; private TaskAwaiter<long> <>u__$awaiter2; public long <length>5__1; public EventArgs e; public object sender; // Methods private void MoveNext() { try { TaskAwaiter<long> CS$0$0001; bool <>t__doFinallyBodies = true; switch (this.<>1__state) { case -3: goto Label_010E; case 0: break; default: this.<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted<TaskAwaiter<long>, Form1.<btnClick_Click>d__0>(ref CS$0$0001, ref this); <>t__doFinallyBodies = false; 如果你看過(guò)我的迭代器專題的話,相信你肯定可以聯(lián)想到該結(jié)構(gòu)體就是一個(gè)迭代器的一個(gè)實(shí)現(xiàn),其主要方法就是MoveNext方法。從上面的代碼的注釋?xiě)?yīng)該可以幫助我們解決在第一步提到的第一個(gè)問(wèn)題,即<btnClick_Click>d__0是什么類型,下面就分析下第二個(gè)問(wèn)題,從<btnClick_Click>d__0結(jié)構(gòu)體的代碼中可以發(fā)現(xiàn)<>t__builder的類型是AsyncVoidMethodBuilder類型,下面就看看它的Start方法的解釋——運(yùn)行關(guān)聯(lián)狀態(tài)機(jī)的生成器,即調(diào)用該方法就可以開(kāi)始運(yùn)行狀態(tài)機(jī),運(yùn)行狀態(tài)機(jī)指的就是執(zhí)行MoveNext方法(MoveNext方法中有我們?cè)创a中所有代碼,這樣就把編譯器生成的Click方法與我們的源碼關(guān)聯(lián)起來(lái)了)。從上面代碼注釋中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)該MoveNext被調(diào)用時(shí)會(huì)立即還回到GUI線程中,同時(shí)也有這樣的疑問(wèn)——?jiǎng)傞_(kāi)始調(diào)用MoveNext方法時(shí),任務(wù)肯定是還沒(méi)有被完成的,但是我們輸出我們?cè)创a中的代碼,必須等待任務(wù)完成(因?yàn)槿蝿?wù)完成才能調(diào)轉(zhuǎn)到Label_007A中的代碼),此時(shí)我們應(yīng)該需要回調(diào)MoveNext方法來(lái)檢查任務(wù)是否完成,(就如迭代器中的,我們需要使用foreach語(yǔ)句一直調(diào)用MoveNext方法),然而我們?cè)诖a卻沒(méi)有找到回調(diào)的任何代碼啊? 對(duì)于這個(gè)疑問(wèn),回調(diào)MoveNext方法肯定是存在的,只是首次看上面代碼的朋友還沒(méi)有找到類似的語(yǔ)句而已,上面代碼注釋中我提到了一個(gè)問(wèn)題——這個(gè)代碼是做什么用的呢?讓我們帶著問(wèn)題看下面的分析,其實(shí)注釋下面的代碼就是起到回調(diào)MoveNext方法的作用,AsyncVoidMethodBuilder.AwaitUnsafeOnCompleted<TAwaiter, TStateMachine> 方法就是調(diào)度狀態(tài)機(jī)去執(zhí)行MoveNext方法,從而也就解決了回調(diào)MoveNext的疑問(wèn)了。 相信大家從上面的解釋中可以找到源碼與編譯器代碼之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系了吧, 但是我在分析完上面的之后,又有一個(gè)疑問(wèn)——當(dāng)任務(wù)完成時(shí),是如何退出MoveNext方法的呢?總不能讓其一直回調(diào)吧,從上面的代碼的注釋可以看出,當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完成之后,會(huì)把<>1__state設(shè)置為0,當(dāng)下次再回調(diào)MoveNext方法時(shí)就會(huì)直接退出方法,然而任務(wù)沒(méi)完成之前,同樣也會(huì)把<>1__state設(shè)置為0,但是Switch部分后面的代碼又把<>1__state設(shè)置為-1,這樣就保證了在任務(wù)沒(méi)完成之前,MoveNext方法可以被重復(fù)回調(diào),當(dāng)任務(wù)完成之后,<>1__state設(shè)置為-1的代碼將不會(huì)執(zhí)行,而是調(diào)轉(zhuǎn)到Label_007A部分。 經(jīng)過(guò)上面的分析之后,相信大家也可以耍出一套還我漂漂拳去分析異步方法AccessWebAsync(),其分析思路是和btnClick_Click的分析思路是一樣的.這里就不重復(fù)啰嗦了。 分析完之后,下面再分享下幾個(gè)關(guān)于async和await常問(wèn)的問(wèn)題 問(wèn)題一:是不是寫(xiě)了async關(guān)鍵字的方法就代表該方法是異步方法,不會(huì)堵塞線程呢? 答: 不是的,對(duì)于只標(biāo)識(shí)async關(guān)鍵字的(指在方法內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)await關(guān)鍵字)的方法,調(diào)用線程會(huì)把該方法當(dāng)成同步方法一樣執(zhí)行,所以然而會(huì)堵塞GUI線程,只有當(dāng)async和await光劍子同時(shí)出現(xiàn),該方法才被轉(zhuǎn)換為異步方法處理。 問(wèn)題二:“async”關(guān)鍵字會(huì)導(dǎo)致調(diào)用方法用線程池線程運(yùn)行嗎? 答: 不會(huì),被async關(guān)鍵字標(biāo)識(shí)的方法不會(huì)影響方法是同步還是異步運(yùn)行并完成,而是,它使方法可被分割成多個(gè)片段,其中一些片段可能異步運(yùn)行,這樣這個(gè)方法可能異步完成。這些片段界限就出現(xiàn)在方法內(nèi)部顯示使用”await”關(guān)鍵字的位置處。所以,如果在標(biāo)記了”async”的方法中沒(méi)有顯示使用”await”,那么該方法只有一個(gè)片段,并且將以同步方式運(yùn)行并完成。在await關(guān)鍵字出現(xiàn)的前面部分代碼和后面部分代碼都是同步執(zhí)行的(即在調(diào)用線程上執(zhí)行的,也就是GUI線程,所以不存在跨線程訪問(wèn)控件的問(wèn)題),await關(guān)鍵處的代碼片段是在線程池線程上執(zhí)行。總結(jié)為——使用async和await關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)的異步方法,此時(shí)的異步方法被分成了多個(gè)代碼片段去執(zhí)行的,而不是像之前的異步編程模型(APM)和EAP那樣,使用線程池線程去執(zhí)行一整個(gè)方法。
六、小結(jié)寫(xiě)到這里本專題的內(nèi)容就介紹到這里的,并且我也會(huì)把本專題的內(nèi)容同步到之前的C#基礎(chǔ)知識(shí)系列文章索引,這樣我的C#特性系列也就完整了,并且該專題也是異步編程的最后一篇專題,在后面的專題將為大家實(shí)現(xiàn)一個(gè)類似迅雷的多任務(wù)多線程下載器,對(duì)于這個(gè)專題可能會(huì)用到并行編程的內(nèi)容,所以接下面我為為大家分享下并行編程的內(nèi)容。
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