C#异步编程由浅入深：Async/Await的作用

考虑到直接讲实现一个类Task库思维有点跳跃,所以本节主要讲解Async/Await的本质作用（解决了什么问题），以及Async/Await的工作原理。实现一个类Task的库则放在后面讲。.

    class Program
    {

        public static string GetMessage()
        {
            return Console.ReadLine();
        }

        public static  string TranslateMessage(string msg)
        {
            return msg;
        }

        public static  void DispatherMessage(string msg)
        {
            switch (msg)
            {
                case "MOUSE_MOVE":
                    {
                        OnMOUSE_MOVE(msg);
                        break;
                    }
                case "MOUSE_DOWN":
                    {
                        OnMouse_DOWN(msg);
                        break;
                    }
                default:
                    break;
            }
        }

        public static void OnMOUSE_MOVE(string msg)
        {
            Console.WriteLine("开始绘制鼠标形状");
        }


        public static int Http()
        {
            Thread.Sleep(1000);//模拟网络IO延时
            return 1;
        }
        public static void HttpAsync(Action<int> action,Action error)
        {
            //这里我们用另一个线程来实现异步IO，由于Http方法内部是通过Sleep来模拟网络IO延时的，这里也只能通过另一个线程来实现异步IO
            //但记住，多线程是实现异步IO的一个手段而已，它不是必须的，后面会讲到如何通过一个线程来实现异步IO。
            Thread thread = new Thread(() => 
            {
                try
                {
                    int res = Http();
                    action(res);
                }
                catch
                {
                    error();
                }
      
            });

            thread.Start();
        }

        public static Task<int> HttpAsync()
        {
            return Task.Run(() => 
            {
                return Http();
            });
        }


        public static void OnMouse_DOWN(string msg)
        {
            HttpAsync()
                .ContinueWith(t => 
                {
                    if(t.Status == TaskStatus.Faulted)
                    {

                    }else if(t.Status == TaskStatus.RanToCompletion)
                    {
                        Console.WriteLine(1);
                        //做一些工作
                    }
                })
                .ContinueWith(t => 
                {
                    if (t.Status == TaskStatus.Faulted)
                    {

                    }
                    else if (t.Status == TaskStatus.RanToCompletion)
                    {
                        Console.WriteLine(2);
                        //做一些工作
                    }
                })
                .ContinueWith(t => 
                {
                    if (t.Status == TaskStatus.Faulted)
                    {

                    }
                    else if (t.Status == TaskStatus.RanToCompletion)
                    {
                        Console.WriteLine(3);
                        //做一些工作
                    }
                });
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            while (true)
            {
                string msg = GetMessage();
                if (msg == "quit") return;
                string m = TranslateMessage(msg);
                DispatherMessage(m);
            }
        }
    }

在OnMouse_DOWN这个处理函数中，我们使用Task的ContinueWith函数进行链式操作，解决了回调地狱问题，但是总感觉有点那么不爽，我们假想有个关键字await它能实现以下作用：首先await必须是Task类型，必须是Task类型的（其实不是必要条件，后面会讲到）原因是保证必须有ContinueWith这个函数，如果Task没有返回值，则把await后面的代码放到Task中的ContinueWith函数体内，如果有返回值，则把Await后的结果转化为访问Task.Result属性，文字说的可能不明白，看下示例代码

//无返回值转换前
public async void Example()
{
    Task t = Task.Run(() =>
    {
        Thread.Sleep(1000);
    });
    await t;
    //做一些工作
}
//无返回值转换后
public void Example()
{
    Task t = Task.Run(() =>
    {
        Thread.Sleep(1000);
    });
    t.ContinueWith(task => 
    {
        //做一些工作
    });
}

//有返回值转换前
public async void Example()
{
    Task<int> t = Task.Run<int>(() =>
    {
        Thread.Sleep(1000);
        return 1;
    });
    int res = await t;
    //使用res做一些工作
}
//有返回值转换后
public void Example()
{
    Task<int> t = Task.Run<int>(() =>
    {
        Thread.Sleep(1000);
        return 1;
    });
    t.ContinueWith(task => 
    {
        //使用task.Result做一些工作
    });
}

看起来不错，但至少有以下问题，如下：

该种转换方法不能很好的转换Try/Catch结构
在循环结构中使用await不好转换
该实现与Task类型紧密联系

一二点是我自己认为的，但第三点是可以从扩展async/await这点被证明的。但无论怎样，async/await只是对方法按照一定的规则进行了变换而已，它并没有什么特别之处，具体来讲，就是把Await后面要执行的代码放到一个类似ContinueWith的函数中，在C#中，它是以状态机的形式表现的，每个状态都对应一部分代码，状态机有一个MoveNext()方法，MoveNext()根据不同的状态执行不同的代码，然后每个状态部分对应的代码都会设置下一个状态字段，然后把自身的MoveNext()方法放到类似ContinueWith()的函数中去执行，整个状态机由回调函数推动。我们尝试手动转换以下async/await方法。

public static Task WorkAsync()
{
    return Task.Run(() => 
    {
        Thread.Sleep(1000);
        Console.WriteLine("Done!");
    });
}
public static async void Test()
{
    Console.WriteLine("步骤1");
    await WorkAsync();
    Console.WriteLine("步骤2");
    await WorkAsync();
    Console.WriteLine("步骤3");
}

手动写一个简单的状态机类

 public class TestAsyncStateMachine
    {
        public int _state = 0;
        public void Start() => MoveNext();
        public void MoveNext()
        {
            switch(_state)
            {
                case 0:
                    {
                        goto Step0;
                    }
                case 1:
                    {
                        goto Step1;
                    }
                default:
                    {
                        Console.WriteLine("步骤3");
                        return;
                    }
            }

        Step0:
            {
                Console.WriteLine("步骤1");
                _state = 1;
                WorkAsync().ContinueWith(t => this.MoveNext());
                return;
            }
        Step1:
            {
                _state = -1;
                Console.WriteLine("步骤2");
                WorkAsync().ContinueWith(t => this.MoveNext());
                return;
            }

        }
    }

而Test()方法则变成了这样

public static void Test()
{
    new TestAsyncStateMachine().Start();
}

注意Test()方法返回的是void，这意味这调用方将不能await Test()。如果返回Task，这个状态机类是不能正确处理的，如果要正确处理，那么状态机在Start()启动后，必须返回一个Task，而这个Task在整个状态机流转完毕后要变成完成状态，以便调用方在该Task上调用的ContinueWith得以继续执行，而就Task这个类而言，它是没有提供这种方法来主动控制Task的状态的，这个与JS中的Promise不同，JS里面用Reslove函数来主动控制Promise的状态，并导致在该Promise上面的Then链式调用得以继续完成，而在C#里面怎么做呢？既然使用了状态机来实现async/await，那么在转换一个返回Task的函数时肯定会遇到，怎么处理？后面讲。

首先解决一下与Task类型紧密联系这个问题。

从状态机中可以看到，主要使用到了Task中的ContinueWith这个函数，它的语义是在任务完成后，执行回调函数，通过回调函数拿到结果，这个编程风格也叫做CPS（Continuation-Passing-Style, 续体传递风格），那么我们能不能把这个函数给抽象出来呢？语言开发者当然想到了，它被抽象成了一个Awaiter因此编译器要求await的类型必须要有GetAwaiter方法，什么样的类型才是Awaiter呢？编译器规定主要实现了如下几个方法的类型就是Awaiter:

必须继承INotifyCompletion接口，并实现其中的OnCompleted(Action continuation)方法
必须包含IsCompleted属性
必须包含GetResult()方法

第一点好理解，第二点的作用是热路径优化，第三点以后讲。我们再改造一下我们手动写的状态机。

public class TestAsyncStateMachine
{
    public int _state = 0;
    public void Start() => MoveNext();
    public void MoveNext()
    {
        switch(_state)
        {
            case 0:
                {
                    goto Step0;
                }
            case 1:
                {
                    goto Step1;
                }
            default:
                {
                    Console.WriteLine("步骤3");
                    return;
                }
        }

    Step0:
        {
            Console.WriteLine("步骤1");
            _state = 1;
            TaskAwaiter taskAwaiter;
            taskAwaiter = WorkAsync().GetAwaiter();
            if (taskAwaiter.IsCompleted) goto Step1;
            taskAwaiter.OnCompleted(() => this.MoveNext());
            return;
        }
    Step1:
        {
            _state = -1;
            Console.WriteLine("步骤2");
            TaskAwaiter taskAwaiter;
            taskAwaiter = WorkAsync().GetAwaiter();
            if (taskAwaiter.IsCompleted) MoveNext();
            taskAwaiter.OnCompleted(() => this.MoveNext());
            return;
        }

    }
}

可以看到去掉了与Task中ContinueWith的耦合关系，并且如果任务已经完成，则可以直接执行下个任务，避免了无用的开销。因此我们可以总结一下async/await：

async/await只是表示这个方法需要编译器进行特殊处理，并不代表它本身一定是异步的。
Task类中的GetAwaiter主要是给编译器用的。

//该类型包含GetAwaiter方法，且GetAwaiter()返回的类型包含三个必要条件
public class MyAwaiter : INotifyCompletion
{
    public void OnCompleted(Action continuation)
    {
        continuation();
    }

    public bool IsCompleted { get; }
    public void GetResult()
    {
    
    }

    public MyAwaiter GetAwaiter() => new MyAwaiter();
}

一个测试函数，注意必须返回void

public static async void AwaiterTest()
{
    await new MyAwaiter();
    Console.WriteLine("Done");
}

可以看到这是完全同步进行的。

董川民