.NET Core多线程通关 (2) 异步

大家好，我是Edison。

去年换工作时系统复习了一下.NET Core多线程相关专题，学习了一线码农老哥的《.NET 5多线程编程实战》课程，我将复习的知识进行了总结形成本专题。

本篇，我们来复习一下异步的相关知识点，预计阅读时间10分钟。

理解异步的本质

（1）异步是什么？

举个例子，在高峰期去餐厅吃饭，会先排队拿个小票，然后去逛一下玩玩，等到排到时会被通知就餐，这时再回到餐厅就可以点餐了。.

同步示意图：

异步示意图：

（2）同步有什么弊端

时间片切换成本高！

程序有可能会卡死！
- CPU密集型操作：编码解码、图形计算、正则表达式等
- IO密集型操作：和硬件打交道，和DB打交道等
- 线程太多的烦恼/代价：
  - 新开Thread是有开销的（时间、空间）
  - GC回收会冻结所有线程寻找引用根（gcroot）
- Thread会和网络驱动程序打交道（外网络地址）
- ThreadPool中的WorkQueue任务（4000+）得不到处理
- 异步：async/await

（3）C#如何使用异步？

ThreadPool线程池分类：

- workThread：
  - 适用于CPU密集型，在WinDbg中标签为 ThreadPool Worker
- IOThread：
  - 适用于IO密集型，在WinDbg中标签为 ThreadPool Completion Port

HttpClient案例演示：

在下面的代码中GetContentLengthAsync异步方法中的线程就用的IOThread，可以通过WinDbg验证。

namespace ConsoleApp3{    class Program    {        static void Main(string[] args)        {            GetContentLengthAsync("http://cnblogs.com");            Console.WriteLine($"主线程:{Environment.CurrentManagedThreadId}, 准备退出！");            Console.ReadLine();        }        static async Task<int> GetContentLengthAsync(string url)        {            using (HttpClient client = new HttpClient())            {                var content = await client.GetStringAsync(url);                Console.WriteLine($"当前线程:{Environment.CurrentManagedThreadId}, content={content.Length}");                return content.Length;            }        }    }}

异步的底层：IO完成端口

（1）理解IO完成端口

异步的核心：callback机制

IO完成端口：这是一个Windows内核对象，我们常称之为IOCP。IOCP是一个异步I/O的Windows API，它可以高效地将I/O事件通知给应用程序，类似于Linux中的Epoll。因此，.NET Framework是基于IOCP来实现的异步，而.NET Core则增加了基于epoll来实现异步，因为它要支持跨平台而不只是Windows。

SafeHandle：文件句柄、网络句柄...

核心步骤：

初始化时将SafeHandle、ThreadPool与IO完成端口进行绑定（比如：FileStream在Init时）
（主线程）创建IO完成端口：CreateIoCompletionPort(IntPtr FileHandle, IntPtr ExistingCompletionPort, IntPtr CompletionKey, uint NumberOfConcurrentThreads)
（主线程）将消息塞到IO完成端口的Queue队列：PostQueuedCompletionStatus
（子线程）从IO完成端口的Queue队列中获取消息：GetQueuedCompletionStatus

（2）实现一个简单的IO完成端口

自定义一个IOCP类，代码如下：

public class IOCP{    [DllImport("kernel32.dll", CharSet = CharSet.Auto, SetLastError = true)]    public static extern SafeFileHandle CreateIoCompletionPort(IntPtr FileHandle, IntPtr ExistingCompletionPort, IntPtr CompletionKey, uint NumberOfConcurrentThreads);    [DllImport("kernel32.dll", CharSet = CharSet.Auto, SetLastError = true)]    public static extern bool GetQueuedCompletionStatus(SafeFileHandle CompletionPort,        out uint lpNumberOfBytesTransferred, out IntPtr lpCompletionKey,        out IntPtr lpOverlapped, uint dwMilliseconds);    [DllImport("Kernel32", CharSet = CharSet.Auto)]    public static extern bool PostQueuedCompletionStatus(SafeFileHandle CompletionPort, uint dwNumberOfBytesTransferred, IntPtr dwCompletionKey, IntPtr lpOverlapped);}

调用端代码如下：

// 1. 创建IO完成端口var safehandle = IOCP.CreateIoCompletionPort(new IntPtr(-1), IntPtr.Zero, IntPtr.Zero, 1);var thread = new Thread(() =>{    Console.WriteLine($"工作线程: {Environment.CurrentManagedThreadId} 开始获取数据...");    while (true)    {        // 3. get数据        IOCP.GetQueuedCompletionStatus(safehandle, out var ipn, out var ipc, out var lop, int.MaxValue);        var receiveData = Convert.ToString(GCHandle.FromIntPtr(lop).Target);        Console.WriteLine($"工作线程: {Environment.CurrentManagedThreadId} 获取数据成功！{receiveData}");        Thread.Sleep(1000);    }});thread.Start();// 2. post 数据var data = (IntPtr)GCHandle.Alloc("hello world");IOCP.PostQueuedCompletionStatus(safehandle, 4096, IntPtr.Zero, data);Console.WriteLine($"主线程: {Environment.CurrentManagedThreadId} 塞入数据成功！");Console.ReadLine();

加深对异步的理解

我们都知道 ContinueWith 主要起延续任务的作用，写起来十分繁琐！

.NET 4.5推出了语法糖async/await大大简化了异步编程的工作量。

下面展示使用ContinueWith 和 async/await 的两种方式的代码量：

/// <summary>/// continutewith 的版本/// </summary>/// <returns></returns>static Task<List<string>> GetContentListContinute(){    var list = new List<string>();    SqlConnection connection = new SqlConnection("Server=LocalHost; Persist Security Info=False;Integrated Security=SSPI;Database= PostDB;");    var task = connection.OpenAsync().ContinueWith(t =>        {            SqlCommand command = new SqlCommand("select PostContent from Post", connection);            return command.ExecuteReaderAsync().ContinueWith(t2 =>            {                var reader = t2.Result;                return GetContent(reader, list).ContinueWith(t3 =>                {                    return list;                });            }).Unwrap();        }).Unwrap();    return task;}static Task<bool> GetContent(SqlDataReader reader, List<string> list){    return reader.ReadAsync().ContinueWith(t =>    {        var hasRow = t.Result;        if (hasRow)        {            list.Add(reader.GetString(0));  //读取reader的值            GetContent(reader, list);        }        return false;    });}/// <summary>/// await+async 的异步写法/// </summary>/// <returns></returns>static async Task<List<string>> GetContentListAsync(){    List<string> list = new List<string>();    SqlConnection connection = new SqlConnection("Server=LocalHost; Persist Security Info=False;Integrated Security=SSPI;Database= PostDB;");    await connection.OpenAsync();    SqlCommand command = new SqlCommand("select PostContent from Post", connection);    var reader = command.ExecuteReader();    while (await reader.ReadAsync())    {        list.Add(reader.GetString(0));    }    return list;}

async/await语法糖的底层原理

从编译后的IL代码来看，async/await只是编译器提供的语法糖，它并不是一种新的异步模型，而只是一种简化异步代码编写的方式。

从反编译后的代码来看，对于async/await的方法编译器会新生成一个实现了IAsyncStateMachine接口的状态机类。

（1）IAsyncStateMachine接口定义：

public interface IAsyncStateMachine{    void MoveNext();    void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine);}

（2）IAsyncStateMachine实现类的基本执行步骤

step1.初始化一个异步状态机machine
step2.初始化一个AsyncTaskMethodBuilder的实例，赋予machine.builder
step3.设置异步状态机的状态为-1，将类传入到状态机内部
step4.调用machine.builder的start方法
step5.返回machine.builder.Task

.NET Core多线程通关 (2) 异步

（3）.NET提供异步方式的总结：

.NET 4.5开始提供的async/await，本质是.NET 4.0的Task + 状态机
.NET 4.0开始提供的Task，本质是.NET 3.5提供的Thread+ThreadPool+等待/取消等API操作

小结

本篇，我们复习了异步相关的基础知识，但由于内容太多，因此将其拆分为了两篇推文。

下一篇，我们继续异步相关知识。

董川民