.NET 中的 async / await 异步编程

前言

　　最近在学习Web Api框架的时候接触到了async/await，这个特性是.NET 4.5引入的，由于之前对于异步编程不是很了解，所以花费了一些时间学习一下相关的知识，并整理成这篇博客，如果在阅读的过程中发现不对的地方，欢迎大家指正。

同步编程与异步编程

　　通常情况下，我们写的C#代码就是同步的，运行在同一个线程中，从程序的第一行代码到最后一句代码顺序执行。而异步编程的核心是使用多线程，通过让不同的线程执行不同的任务，实现不同代码的并行运行。

前台线程与后台线程

　　关于多线程，早在.NET2.0时代，基础类库中就提供了Thread实现。默认情况下，实例化一个Thread创建的是前台线程，只要有前台线程在运行，应用程序的进程就一直处于运行状态，以控制台应用程序为例，在Main方法中实例化一个Thread，这个Main方法就会等待Thread线程执行完毕才退出。而对于后台线程，应用程序将不考虑其是否执行完毕，只要应用程序的主线程和前台线程执行完毕就可以退出，退出后所有的后台线程将被自动终止。来看代码应该更清楚一些：

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("主线程开始");

            //实例化Thread，默认创建前台线程
            Thread t1 = new Thread(DoRun1);
            t1.Start();

            //可以通过修改Thread的IsBackground，将其变为后台线程
            Thread t2 = new Thread(DoRun2) { IsBackground = true };
            t2.Start();

            Console.WriteLine("主线程结束");
        }

        static void DoRun1()
        {
            Thread.Sleep(500);
            Console.WriteLine("这是前台线程调用");
        }

        static void DoRun2()
        {
            Thread.Sleep(1500);
            Console.WriteLine("这是后台线程调用");
        }
    }
}

　　运行上面的代码，可以看到DoRun2方法的打印信息“这是后台线程调用”将不会被显示出来，因为应用程序执行完主线程和前台线程后，就自动退出了，所有的后台线程将被自动终止。这里后台线程设置了等待1.5s，假如这个后台线程比前台线程或主线程提前执行完毕，对应的信息“这是后台线程调用”将可以被成功打印出来。

Task

　　.NET 4.0推出了新一代的多线程模型Task。async/await特性是与Task紧密相关的，所以在了解async/await前必须充分了解Task的使用。这里将以一个简单的Demo来看一下Task的使用，同时与Thread的创建方式做一下对比。

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("主线程启动");
            
            //.NET 4.5引入了Task.Run静态方法来启动一个线程
            Task.Run(() => { Thread.Sleep(1000); Console.WriteLine("Task1启动"); });

            //Task启动的是后台线程，假如要在主线程中等待后台线程执行完毕，可以调用Wait方法
            Task task = Task.Run(() => { Thread.Sleep(500); Console.WriteLine("Task2启动"); });
            task.Wait();
            
            Console.WriteLine("主线程结束");
        }
    }
}

　　首先，必须明确一点是Task启动的线程是后台线程，不过可以通过在Main方法中调用task.Wait()方法，使应用程序等待task执行完毕。Task与Thread的一个重要区分点是：Task底层是使用线程池的，而Thread每次实例化都会创建一个新的线程。这里可以通过这段代码做一次验证：

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调用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(); });
            }

            //让应用程序不立即退出
            Console.Read();
        }
    }
}

　　运行代码，可以看到DoRun1()方法每次的Thread Id都是不同的，而DoRun2()方法的Thread Id是重复出现的。我们知道线程的创建和销毁是一个开销比较大的操作，Task.Run()每次执行将不会立即创建一个新线程，而是到CLR线程池查看是否有空闲的线程，有的话就取一个线程处理这个请求，处理完请求后再把线程放回线程池，这个线程也不会立即撤销，而是设置为空闲状态，可供线程池再次调度，从而减少开销。

Task<TResult>

　　Task<TResult>是Task的泛型版本，这两个之间的最大不同是Task<TResult>可以有一个返回值，看一下代码应该一目了然： 

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("主线程开始");

            Task task = Task.Run(() => { Thread.Sleep(1000); return Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString(); });
            Console.WriteLine(task.Result);

            Console.WriteLine("主线程结束");
        }
    }
}

　　Task<TResult>的实例对象有一个Result属性，当在Main方法中调用task.Result的时候，将等待task执行完毕并得到返回值，这里的效果跟调用task.Wait()是一样的，只是多了一个返回值。

async/await 特性

　　经过前面的铺垫，终于迎来了这篇文章的主角async/await，还是先通过代码来感受一下这两个特性的使用。

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("-------主线程启动-------");
            Task task = GetLengthAsync();
            Console.WriteLine("Main方法做其他事情");
            Console.WriteLine("Task返回的值" + task.Result);
            Console.WriteLine("-------主线程结束-------");
        }

        static async Task GetLengthAsync()
        {
            Console.WriteLine("GetLengthAsync Start");  
            string str = await GetStringAsync();
            Console.WriteLine("GetLengthAsync End");
            return str.Length;
        }

        static Task GetStringAsync()
        {
            return Task.Run(() => { Thread.Sleep(2000); return "finished"; });
        }
    }
}

　　首先来看一下async关键字。async用来修饰方法，表明这个方法是异步的，声明的方法的返回类型必须为：void或Task或Task<TResult>。返回类型为Task的异步方法中无需使用return返回值，而返回类型为Task<TResult>的异步方法中必须使用return返回一个TResult的值，如上述Demo中的异步方法返回一个int。而返回类型可为void，则是为了和事件处理程序兼容，比如下面的示例：

public Form1()
{
    InitializeComponent();
    btnDo.Click += Down;
}

public async void Down(object sender, EventArgs e)
{
    btnDo.Enabled = false;
    string str = await Run();
    labText.Text = str;
    btnDo.Enabled = true;
}

public Task Run()
{
    return Task.Run(() => { Thread.Sleep(5000); return DateTime.Now.ToString(); });
}

　　再来看一下await关键字。await必须用来修饰Task或Task<TResult>，而且只能出现在已经用async关键字修饰的异步方法中。

　　通常情况下，async/await必须成对出现才有意义，假如一个方法声明为async，但却没有使用await关键字，则这个方法在执行的时候就被当作同步方法，这时编译器也会抛出警告提示async修饰的方法中没有使用await，将被作为同步方法使用。了解了关键字async\await的特点后，我们来看一下上述Demo在控制台会输入什么吧。

　　输出的结果已经很明确地告诉我们整个执行流程了。GetLengthAsync异步方法刚开始是同步执行的，所以"GetLengthAsync Start"字符串会被打印出来，直到遇到第一个await关键字，真正的异步任务GetStringAsync开始执行，await相当于起到一个标记/唤醒点的作用，同时将控制权放回给Main方法，"Main方法做其他事情"字符串会被打印出来。之后由于Main方法需要访问到task.Result，所以就会等待异步方法GetLengthAsync的执行，而GetLengthAsync又等待GetStringAsync的执行，一旦GetStringAsync执行完毕，就会回到await GetStringAsync这个点上执行往下执行，这时"GetLengthAsync End"字符串就会被打印出来。

　　当然，我们也可以使用下面的方法完成上面控制台的输出。

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("-------主线程启动-------");
            Task task = GetLengthAsync();
            Console.WriteLine("Main方法做其他事情");
            Console.WriteLine("Task返回的值" + task.Result);
            Console.WriteLine("-------主线程结束-------");
        }

        static Task GetLengthAsync()
        {
            Console.WriteLine("GetLengthAsync Start");
            Task task = Task.Run(() => { string str = GetStringAsync().Result; 
                Console.WriteLine("GetLengthAsync End"); 
                return str.Length; });           
            return task;
        }

        static Task GetStringAsync()
        {
            return Task.Run(() => { Thread.Sleep(2000); return "finished"; });
        }
    }
}

　　对比两种方法，是不是async\await关键字的原理其实就是通过使用一个线程完成异步调用吗？答案是否定的。async关键字表明可以在方法内部使用await关键字，方法在执行到await前都是同步执行的，运行到await处就会挂起，并返回到Main方法中，直到await标记的Task执行完毕，才唤醒回到await点上，继续向下执行。更深入点的介绍可以查看文章末尾的参考文献。

async/await 实际应用

　　微软已经对一些基础类库的方法提供了异步实现，接下来将实现一个例子来介绍一下async/await的实际应用。

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("开始获取博客园首页字符数量");
            Task task1 = CountCharsAsync("http://www.cnblogs.com");
            Console.WriteLine("开始获取百度首页字符数量");
            Task task2 = CountCharsAsync("http://www.baidu.com");

            Console.WriteLine("Main方法中做其他事情");

            Console.WriteLine("博客园:" + task1.Result);
            Console.WriteLine("百度:" + task2.Result);
        }

        static async Task CountCharsAsync(string url)
        {
            WebClient wc = new WebClient();
            string result = await wc.DownloadStringTaskAsync(new Uri(url));
            return result.Length;
        }
    }
}

参考文献：<IIIustrated C# 2012>     关于async/await的FAQ    《深入理解C#》