.net core 非阻塞的异步编程 及其 运行机制

八七个星天外

本文主要分为三个部分：
1、语法格式
2、线程调度情况
3、编程注意事项
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异步编程（Task Asynchronous Programming，TAP），一种编程模式（Task-based Asynchronous Pattern）。
TAP 是 .NET 中推荐的异步编程模式，基于 Task 和 Task 类型，用于表示异步。
异步编程一般应对两种场景，一是 I/O 绑定，当需要网络连接（连接数据库或读写到文件系统等）等耗时长的任务；二是 CPU 绑定，需要耗时长的计算。
 
 
1、简单的语法格式

.net 一直在为开发人员简化和标准化异步的写法，从 .net 4.5 开始就已经支持使用 aysnc 和 await 的关键字。
异步的语法格式如下：
 
private async Task DoSomeStuffAsync(..)
{
     ..
    await ..
    ..
}
 
l  关键词 async 本身不具备什么意义，只是装饰，当方法冠以 async 关键词，方法体内允许使用 await
l  await 是标记需要等待的地方，但其本质并非阻塞线程。
l  “非阻止操作”：指当运行到 await 时，会把当前线程返回到上一级调用者继续执行，如果没有上一级调用者，则该线程当场释放。

	非阻止操作	阻止操作	备注
任一任务完成	await Task.WhenAny	Task.WaitAny	非阻塞：线程遇到 await 时会返回上一层调用者继续执行，如果没有上一级调用者，则释放该线程； 阻塞：线程在等待期间不能执行其他任务，也不释放线程，硬等
所有任务完成	await Task.WhenAll	Task.WaitAll
等待一段时间	await Task.Delay	Thread.Sleep

 
l  异步方法返回的值总是 Task 的实例，可以是 Task 类型或 Task，其中 TResult 是执行的方法的返回类型
l  如果直接拿异步方法的结果，形如 var obj = GetSomethingAsync()，这个 obj 是一个 Task 对象，其中 obj.AsyncStatus，obj.Result 可见执行情况
l  await + 执行异步方法，形如 await GetSomethingAsync() 会得到 TResult 实例
l  直接使用 task.Result 得到的任务结果其状态是未知的，应该使用 await task，保证任务是 Completed 的
l  一般地，异步方法的名字需要添加后缀 Async，以便于写代码的时候区分开同步方法和异步方法
l  等待异步任务的执行过程中，如果其中发生了错误，该异步任务的外层 try catch 会捕捉到，它也是一种任务结果
 
 
 
2、异步运行机制，线程调度

观察以下代码，思考一下控制台会输出什么？

1.     public static async Task Main(string[] args)
2.     {
3.         logMessage("Main <<----");
4.         var task = GetUrlContentLengthAsync();
5.         logMessage("Main ---->>");
6.         await task;
7.         logMessage("ALL COMPLETED");
8.     }
10.     static async Task<int> GetUrlContentLengthAsync()
11.     {
12.         logMessage("GetUrlContentLengthAsync start ");
14.         using var client = new HttpClient();
15.         Task<string> getStringTask = client.GetStringAsync("https://learn.microsoft.com/dotnet");
17.         // Do some independent work..
19.         var contents = await getStringTask;
21.         logMessage("GetUrlContentLengthAsync end ");
22.         return contents.Length;
23.     }
25.     static void logMessage(string msg)
26.     {
27.         Console.WriteLine($"{DateTime.Now.ToString("MM-dd HH:mm:ss.fff")} [{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] {msg}");
28.     }

复制代码

 
打印结果：

1. 11-18 18:34:34.563 [1] Main <<----
2. 11-18 18:34:34.632 [1] GetUrlContentLengthAsync start
3. 11-18 18:34:34.810 [1] Main ---->>
4. 11-18 18:34:37.283 [7] GetUrlContentLengthAsync end
5. 11-18 18:34:37.286 [7] ALL COMPLETED

复制代码

 
先分析一下 GetUrlContentLengthAsync 这个异步方法，简单归纳会存在以下步骤：

• httpClient.GetStringAsync 发起 HTTP 请求，并立即返回一个未完成的任务。
  
• await 关键字会暂停 GetStringAsync 方法的执行，并将控制权返回给调用方。
  
• 任务调度器通过操作系统的通知机制来监听 HTTP 请求的响应。
  
• 操作系统在后台监控 I/O 操作的状态，并在操作完成时通知应用程序。
  
• 任务调度器随后选择一个可用的线程来继续执行 异步方法的剩余部分（await 之后）。
  

 
线程运行过程如下：

 
* HTTP 请求是一个 I/O 操作，操作系统会通过 I/O 完成端口（IOCP）来处理这些操作。
* IOCP 是一种高效的机制，用于处理异步 I/O 操作。它允许操作系统在 I/O 操作完成时通知应用程序。
 
 
 
3、注意事项

l  如果调用了 异步方法，一定要 await 任务执行结果
反面示例：

1.     public static async Task Main(string[] args)
2.     {
3.         logMessage("Main <<----");
5.         // fault example: if do not wait the result then we will do not know what happened on it
6.         GetSomeStuff();
8.         logMessage("Main ---->>");
9.     }

复制代码

这个异步任务已经在执行，但是却没有后续处理，不知道是成功或是失败，又或者一直在执行没有办法停止，这是危险的。
 
l  如果要使用 task.Result ，此前一定要 await
await task 得到的是 completed async status 的 result，而直接使用 task.Result 的方式拿结果并不保证这个任务是完成的。
 
l  是否线程安全
异步编程的机制，允许到正在处理一个请求时，同时存在多个线程在处理操作，如果在对同一个对象做写入操作，这是危险的。
所以并行时的任务最好是没有关系的。
如果使用锁，需要考虑是否会导致死锁的问题。
 
l  异步编程可能会增加代码复杂度，慎重取舍
异步编程并不一定带来性能提升，毕竟上下文切换也是有开销的，对于简单的任务可能一条线做完的方式更合适。
 
 
 
 
 
 
 
Reference:
[1] The Task Asynchronous Programming (TAP) model with async and await" - C# | Microsoft Learn
[2] Asynchronous programming scenarios - C# | Microsoft Learn
[3] Asynchronous programming - C# | Microsoft Learn
 

来源:https://www.cnblogs.com/carmen-019/p/18555115
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