【微软技术栈】C#.NET 异步编程_.net异步编程

作者：你好赵伟 | 2024-03-05 13:13:18

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.net异步编程

1、异步模型概述

异步编程的核心是 Task 和 Task<T> 对象，这两个对象对异步操作建模。它们受关键字 async 和 await 的支持。在大多数情况下模型十分简单：

对于 I/O 绑定代码，等待一个在 async 方法中返回 Task 或 Task<T> 的操作。
对于 CPU 绑定代码，等待一个使用 Task.Run 方法在后台线程启动的操作。

await 关键字有这奇妙的作用。它控制执行 await 的方法的调用方，且它最终允许 UI 具有响应性或服务具有灵活性。虽然有方法可处理 async 和 await 以外的异步代码，但本文重点介绍语言级构造。

1.1 I/O 绑定示例：从 Web 服务下载数据

你可能需要在按下按钮时从 Web 服务下载某些数据，但不希望阻止 UI 线程。使用System.Net.Http.HttpClient 类执行如下操作即可实现：


private readonly HttpClient _httpClient = new HttpClient();
 
downloadButton.Clicked += async (o, e) =>
{
    // This line will yield control to the UI as the request
    // from the web service is happening.
    //
    // The UI thread is now free to perform other work.
    var stringData = await _httpClient.GetStringAsync(URL);
    DoSomethingWithData(stringData);
};

代码表示目的（异步下载数据），而不会在与 Task 对象的交互中停滞。

1.2 CPU 绑定示例：为游戏执行计算

假设你正在编写一个移动游戏，在该游戏中，按下某个按钮将会对屏幕中的许多敌人造成伤害。执行伤害计算的开销可能极大，而且在 UI 线程中执行计算有可能使游戏在计算执行过程中暂停！

此问题的最佳解决方法是启动一个后台线程，它使用 Task.Run 执行工作，并使用 await 等待其结果。这可确保在执行工作时 UI 能流畅运行。


private DamageResult CalculateDamageDone()
{
    // Code omitted:
    //
    // Does an expensive calculation and returns
    // the result of that calculation.
}
 
calculateButton.Clicked += async (o, e) =>
{
    // This line will yield control to the UI while CalculateDamageDone()
    // performs its work. The UI thread is free to perform other work.
    var damageResult = await Task.Run(() => CalculateDamageDone());
    DisplayDamage(damageResult);
};

此代码清楚地表达了按钮的单击事件的目的，它无需手动管理后台线程，而是通过非阻止性的方式来实现。

1.3 内部原理

在 C# 方面，编译器将代码转换为状态机，它将跟踪类似以下内容：到达 await 时暂停执行以及后台作业完成时继续执行。

2、需了解的要点

异步代码可用于 I/O 绑定和 CPU 绑定代码，但在每个方案中有所不同。
异步代码使用 Task<T> 和 Task，它们是对后台所完成的工作进行建模的结构。
async 关键字将方法转换为异步方法，这使你能在其正文中使用 await 关键字。
应用 await 关键字后，它将挂起调用方法，并将控制权返还给调用方，直到等待的任务完成。
仅允许在异步方法中使用 await。

3、识别 CPU 绑定和 I/O 绑定工作

本指南的前两个示例演示如何将 async 和 await 用于 I/O 绑定和 CPU 绑定工作。确定所需执行的操作是 I/O 绑定或 CPU 绑定是关键，因为这会极大影响代码性能，并可能导致某些构造的误用。

以下是编写代码前应考虑的两个问题：

你的代码是否会“等待”某些内容，例如数据库中的数据？

如果答案为“是”，则你的工作是 I/O 绑定。
你的代码是否要执行开销巨大的计算？

如果答案为“是”，则你的工作是 CPU 绑定。

如果你的工作为 I/O 绑定，请使用 async 和 await（而不使用 Task.Run）。不应使用任务并行库。

如果你的工作属于 CPU 绑定，并且你重视响应能力，请使用 async 和 await，但在另一个线程上使用 Task.Run 生成工作。如果该工作同时适用于并发和并行，还应考虑使用任务并行库。

此外，应始终对代码的执行进行测量。例如，你可能会遇到这样的情况：多线程处理时，上下文切换的开销高于 CPU 绑定工作的开销。每种选择都有折衷，应根据自身情况选择正确的折衷方案。

4、更多示例

下列示例演示了多种使用 C# 编写异步代码的方法。它们涉及你可能会遇到的一些不同方案。

4.1 从网络提取数据

如果打算在生产代码中进行 HTML 分析，则不要使用正则表达式。改为使用分析库。


private readonly HttpClient _httpClient = new HttpClient();
 
[HttpGet, Route("DotNetCount")]
public async Task<int> GetDotNetCount()
{
    // Suspends GetDotNetCount() to allow the caller (the web server)
    // to accept another request, rather than blocking on this one.
    var html = await _httpClient.GetStringAsync("https://dotnetfoundation.org");
 
    return Regex.Matches(html, @"\.NET").Count;
}

以下是为通用 Windows 应用编写的相同方案，当按下按钮时，它将执行相同的任务：


private readonly HttpClient _httpClient = new HttpClient();
 
private async void OnSeeTheDotNetsButtonClick(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    // Capture the task handle here so we can await the background task later.
    var getDotNetFoundationHtmlTask = _httpClient.GetStringAsync("https://dotnetfoundation.org");
 
    // Any other work on the UI thread can be done here, such as enabling a Progress Bar.
    // This is important to do here, before the "await" call, so that the user
    // sees the progress bar before execution of this method is yielded.
    NetworkProgressBar.IsEnabled = true;
    NetworkProgressBar.Visibility = Visibility.Visible;
 
    // The await operator suspends OnSeeTheDotNetsButtonClick(), returning control to its caller.
    // This is what allows the app to be responsive and not block the UI thread.
    var html = await getDotNetFoundationHtmlTask;
    int count = Regex.Matches(html, @"\.NET").Count;
 
    DotNetCountLabel.Text = $"Number of .NETs on dotnetfoundation.org: {count}";
 
    NetworkProgressBar.IsEnabled = false;
    NetworkProgressBar.Visibility = Visibility.Collapsed;
}

4.2 等待多个任务完成

你可能发现自己处于需要并行检索多个数据部分的情况。 Task API 包含两种方法（即 Task.WhenAll 和 Task.WhenAny），这些方法允许你编写在多个后台作业中执行非阻止等待的异步代码。

此示例演示如何为一组 User 捕捉 userId 数据。


public async Task<User> GetUserAsync(int userId)
{
    // Code omitted:
    //
    // Given a user Id {userId}, retrieves a User object corresponding
    // to the entry in the database with {userId} as its Id.
}
 
public static async Task<IEnumerable<User>> GetUsersAsync(IEnumerable<int> userIds)
{
    var getUserTasks = new List<Task<User>>();
    foreach (int userId in userIds)
    {
        getUserTasks.Add(GetUserAsync(userId));
    }
 
    return await Task.WhenAll(getUserTasks);
}

以下是另一种更简洁的使用 LINQ 进行编写的方法：


public async Task<User> GetUserAsync(int userId)
{
    // Code omitted:
    //
    // Given a user Id {userId}, retrieves a User object corresponding
    // to the entry in the database with {userId} as its Id.
}
 
public static async Task<User[]> GetUsersAsync(IEnumerable<int> userIds)
{
    var getUserTasks = userIds.Select(id => GetUserAsync(id)).ToArray();
    return await Task.WhenAll(getUserTasks);
}

尽管它的代码较少，但在混合 LINQ 和异步代码时需要谨慎使用。因为 LINQ 使用延迟的执行，因此异步调用将不会像在 foreach 循环中那样立刻发生，除非强制所生成的序列通过对 .ToList() 或 .ToArray() 的调用循环访问。上述示例使用 Enumerable.ToArray 预先执行查询，并将结果存储在数组中。这会强制代码 id => GetUserAsync(id) 运行并启动任务。

5、重要信息和建议

对于异步编程，有一些细节需要注意，以防止意外行为。

async方法需要在主体中有 await 关键字，否则它们将永不暂停！

这一点需牢记在心。如果 await 未用在 async 方法的主体中，C# 编译器将生成一个警告，但此代码将会以类似普通方法的方式进行编译和运行。这种方式非常低效，因为由 C# 编译器为异步方法生成的状态机将不会完成任何任务。
添加“Async”作为编写的每个异步方法名称的后缀。

这是 .NET 中的惯例，以便更为轻松地区分同步和异步方法。未由代码显式调用的某些方法（如事件处理程序或 Web 控制器方法）并不一定适用。由于它们未由代码显式调用，因此对其显式命名并不重要。
async void 应仅用于事件处理程序。

async void 是允许异步事件处理程序工作的唯一方法，因为事件不具有返回类型（因此无法利用 Task 和 Task<T>）。其他任何对 async void 的使用都不遵循 TAP 模型，且可能存在一定使用难度，例如：
- async void 方法中引发的异常无法在该方法外部被捕获。
- async void 方法很难测试。
- async void 方法可能会导致不良副作用（如果调用方不希望方法是异步的话）。
在 LINQ 表达式中使用异步 lambda 时请谨慎

LINQ 中的 Lambda 表达式使用延迟执行，这意味着代码可能在你并不希望结束的时候停止执行。如果编写不正确，将阻塞任务引入其中时可能很容易导致死锁。此外，此类异步代码嵌套可能会对推断代码的执行带来更多困难。 Async 和 LINQ 的功能都十分强大，但在结合使用两者时应尽可能小心。

采用非阻止方式编写等待任务的代码

通过阻止当前线程来等待 Task 完成的方法可能导致死锁和已阻止的上下文线程，且可能需要更复杂的错误处理方法。下表提供了关于如何以非阻止方式处理等待任务的指南：

使用以下方式...	而不是…	若要执行此操作...
`await`	`Task.Wait` 或 `Task.Result`	检索后台任务的结果
`await Task.WhenAny`	`Task.WaitAny`	等待任何任务完成
`await Task.WhenAll`	`Task.WaitAll`	等待所有任务完成
`await Task.Delay`	`Thread.Sleep`	等待一段时间

如果可能，请考虑使用ValueTask

从异步方法返回 Task 对象可能在某些路径中导致性能瓶颈。 Task 是引用类型，因此使用它意味着分配对象。如果使用 async 修饰符声明的方法返回缓存结果或以同步方式完成，那么额外的分配在代码的性能关键部分可能要耗费相当长的时间。如果这些分配发生在紧凑循环中，则成本会变高。
考虑使用 ConfigureAwait(false)

常见的问题是“应何时使用 Task.ConfigureAwait(Boolean) 方法？”。该方法允许 Task 实例配置其 awaiter。这是一个重要的注意事项，如果设置不正确，可能会影响性能，甚至造成死锁。
编写状态欠缺的代码

请勿依赖全局对象的状态或某些方法的执行。请仅依赖方法的返回值。为什么？
- 这样更容易推断代码。
- 这样更容易测试代码。
- 混合异步和同步代码更简单。
- 通常可完全避免争用条件。
- 通过依赖返回值，协调异步代码可变得简单。
- （好处）它非常适用于依赖关系注入。

总之，建议的目标是，实现代码中完整或接近完整的引用透明度。这么做能获得可预测、可测试和可维护的代码库。

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