C# 异步编程 async、await

Raink_LH

6040人浏览 · 2022-12-06 09:52:24

Raink_LH · 2022-12-06 09:52:24 发布

C#5.0的时候引入了async和await两个修饰符，成为异步编程的核心关键字。
async 是修饰符，表明方法含有异步操作，但并不是说整个方法是异步的。async修饰的方法会先同步执行到第一处await的地方而后开始异步。
await可以理解为一种异步特有的“return”。即返回一个正在运行的异步过程。并且等待该异步过程结束后再继续向await的下一句运行。
例如下方法

private static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("Application Start");
    AsyncTask1();
    Console.WriteLine("Application End");
}

private static async Task AsyncTask1()
{
    Console.WriteLine("AsyncVoid1");
    Thread.Sleep(1000);
    Console.WriteLine("AsyncVoid1: befor await");
    await Task.Run(() =>
    {
        Console.WriteLine("AsyncVoid1: Task Runing");
        Thread.Sleep(2000);
    });
    Console.WriteLine("AsyncVoid1: after await");
}

运行输出如下：

Application Start
AsyncVoid1
AsyncVoid1: befor await
AsyncVoid1: Task Runing
Application End
AsyncVoid1: after await

异步返回类型

async是方法的修饰，其对应的方法的返回值有

void
Task
Task<TResult>、
任何具有可访问的 GetAwaiter 方法的类型（GetAwaiter 方法返回的对象必须实现 ystem.Runtime.CompilerServices.ICriticalNotifyCompletion 接口）。
IAsyncEnumerable<T>（对于返回异步流的异步方法）。

常用的是前三个。暂且只整理前三者的区别与不同。

async void

async不建议修饰void方法，因为void 方法无法使用await。比如上面的例子中，AsyncTask1方法再调用时可以不加await，也可以加await来实现在调用程序结束前等待其执行结束。
比如调用方式改成如下：

static void Main(string[] args)
{
     //控制台Main入口不能加async
      MainAsync();
}
//方法内有await时，方法必须被async修饰。
private static async void MainAsync()
{
    Console.WriteLine("Application Start");
    await AsyncTask1();
    Console.WriteLine("Application End");
}

运行结果如下：

Application Start
AsyncVoid1
AsyncVoid1: befor await
AsyncVoid1: Task Runing
AsyncVoid1: after await
Application End

如果将AsyncTask1的返回类型变成void，则调用方中就不能用await来强制同步了。

private static async void MainAsync()
{
    Console.WriteLine("Application Start");
    await AsyncTask1();//编译报错，“无法等待void”
    Console.WriteLine("Application End");
}

private static async void AsyncTask1()
{
    Console.WriteLine("AsyncVoid1");
    Thread.Sleep(1000);
    Console.WriteLine("AsyncVoid1: befor await");
    await Task.Run(() =>
    {
        Console.WriteLine("AsyncVoid1: Task Runing");
        Thread.Sleep(2000);
    });
    Console.WriteLine("AsyncVoid1: after await");
}

async可以修饰返回void的方法，是因为这种多用于事件，例如按钮点击事件等，这些情景就非常符合async void的使用场景。

public class NaiveButton
{
    public event EventHandler? Clicked;

    public void Click()
    {
        Console.WriteLine("Somebody has clicked a button. Let's raise the event...");
        Clicked?.Invoke(this, EventArgs.Empty);
        Console.WriteLine("All listeners are notified.");
    }
}

public class AsyncVoidExample
{
    public static Main()
    {
        var button = new NaiveButton();
        button.Clicked += OnButtonClickedAsync;
        Console.WriteLine("Before button.Click() is called...");
        button.Click();
        Console.WriteLine("After button.Click() is called...");
    }
    
    private static async void OnButtonClickedAsync(object? sender, EventArgs e)
    {
        Console.WriteLine("   Handler 2 is starting...");
        Task.Delay(100).Wait();
        Console.WriteLine("   Handler 2 is about to go async...");
        await Task.Delay(500);
        Console.WriteLine("   Handler 2 is done.");
    }
}

async Task

返回Task类型的。个人概括的说，就是“执行操作但不返回任何值的异步方法”。即await 等待的一个无返回值的Task。
例如前文已有例子：

private static async Task AsyncTask1()
{
    Console.WriteLine("AsyncVoid1");
    Thread.Sleep(1000);
    Console.WriteLine("AsyncVoid1: befor await");
    await Task.Run(() =>
    {
        Console.WriteLine("AsyncVoid1: Task Runing");
        Thread.Sleep(2000);
    });
    Console.WriteLine("AsyncVoid1: after await");
}

需要说明的是，这里说的是async修饰的Task返回类型，从外部调用上，她只需要返回Task类型的实例对象。但实际上行需要返回已经开始运行Task的对象。在调用处不能通过Task.Start()来开始任务，await后接一个未开始的任务也只能如等一个已死的人回心转意。

从设计上讲，async和await总是搭配使用的，await后接的必定是正在运行的Task。

async Task<TResult>

返回类型为Task<TResult>的异步方法，和返回类型为Task<TResult>的方法是两回事。直接看代码：

private static async Task<int> AsyncFuncReturn1()
{
    await Task.Run(() => 
    { 
        Thread.Sleep(500); 
    });            
    return 1;
}
private static Task<int> AsyncFuncReturn2()
{
    return Task<int>.Run(() => 
    { 
        Thread.Sleep(500); 
        return 1; 
    });
}

后者只是将Task的实例化过程进行包装。前者具有两方面功能，一方提供Task实例的操控权力，另一方面说明异步方法的返回值类型。两者是独立的。即异步方法中的Task类型可以自定义，只需要确保方法的返回值类型正确即可。

但是，这两个方法再调用时却是一致的

private async static void Caller()
{
    //通过await 等待获取结果
    int s1 = await AsyncFuncReturn1();
    int s2 = await AsyncFuncReturn2();
    //通过Result（转同步）获取结果
    int s11 = AsyncFuncReturn1().Result;
    int s12 = AsyncFuncReturn2().Result;
    //先获取Task
    var t1 = AsyncFuncReturn1();
    var t2 = AsyncFuncReturn2();
    //在Task运行时先同步处理其他事情之后再获取结果
    int s111 = t1.Result;
    int s112 = t2.Result;
}

但优先考虑使用有async修饰的方式，因为这样，如果你没有写await，编译器通常会提醒你，以防止你返回的是一个没有开始的任务。

await 和 Task.Wait()/Task.Result

await 和Task.Wait()的作用都有等待任务结束的功能，不同的是，就像前面说的，await还有一层“return”的意思，或者说更像“yield”。即让await所在方法的被调用者可以继续下一步操作。（这里只是说“可以”，即对外产生这样的能力，而如果await所在方法返回的值是void类型，调用者就不能强制同步了）
依然用上面的示例：

private static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("Application Start");
    AsyncTask1();
    Console.WriteLine("Application End");
}

private static async Task AsyncTask1()
{
    Console.WriteLine("AsyncVoid1");
    Thread.Sleep(1000);
    Console.WriteLine("AsyncVoid1: befor await");
    await Task.Run(() =>
    {
        Console.WriteLine("AsyncVoid1: Task Runing");
        Thread.Sleep(2000);
    });
    Console.WriteLine("AsyncVoid1: after await");
}

运行输出如下：

Application Start
AsyncVoid1
AsyncVoid1: befor await
AsyncVoid1: Task Runing
Application End
AsyncVoid1: after await

可以看到，先输出了Application End，即AsyncTask1中的await等待异步任务时，主程序依然在运行。
一方面，如果将AsyncTask1改造成如下

private static void AsyncTask1_2()
{//没有await,不需要async修饰，也不会返回Task.
    Console.WriteLine("AsyncVoid1");
    Thread.Sleep(1000);
    Console.WriteLine("AsyncVoid1: befor await");
    Task.Run(() =>
    {
        Console.WriteLine("AsyncVoid1: Task Runing");
        Thread.Sleep(2000);
    }).Wait();
    Console.WriteLine("AsyncVoid1: after await");
}

这样调用AsyncTask1_2()方法将变成纯粹的同步任务。
另一方面,如果不改变AsyncTask1()方法，而改变调用方式:

private static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("Application Start");
    AsyncTask1().Wait();
    Console.WriteLine("Application End");
}

其也是将AsyncTask1()强制转换同步方法。
Task.Wait()和Task.Result在异步同步问题上是一致的，不同的是Result是针对Task<TResult>任务的，先内部Wait()而后返回结果。

async与await的执行顺序

需要引用一下巨硬家的官方讲解，还是很清楚的

关系图中的数字对应于以下步骤，在调用方法调用异步方法时启动。

调用方法调用并等待 GetUrlContentLengthAsync 异步方法。
GetUrlContentLengthAsync 可创建 HttpClient 实例并调用 GetStringAsync 异步方法以下载网站内容作为字符串。
GetStringAsync 中发生了某种情况，该情况挂起了它的进程。可能必须等待网站下载或一些其他阻止活动。为避免阻止资源，GetStringAsync 会将控制权出让给其调用方 GetUrlContentLengthAsync。
由于尚未等待 getStringTask，因此，GetUrlContentLengthAsync 可以继续执行不依赖于 GetStringAsync 得出的最终结果的其他工作。该任务由对同步方法 DoIndependentWork 的调用表示。
DoIndependentWork 是完成其工作并返回其调用方的同步方法。
GetUrlContentLengthAsync 已运行完毕，可以不受 getStringTask 的结果影响。接下来，GetUrlContentLengthAsync 需要计算并返回已下载的字符串的长度，但该方法只有在获得字符串的情况下才能计算该值。
GetStringAsync 完成并生成一个字符串结果。字符串结果不是通过按你预期的方式调用 GetStringAsync 所返回的。（记住，该方法已返回步骤 3 中的一个任务）。相反，字符串结果存储在表示 getStringTask 方法完成的任务中。 await 运算符从 getStringTask 中检索结果。赋值语句将检索到的结果赋给 contents。
当 GetUrlContentLengthAsync 具有字符串结果时，该方法可以计算字符串长度。然后，GetUrlContentLengthAsync 工作也将完成，并且等待事件处理程序可继续使用。在此主题结尾处的完整示例中，可确认事件处理程序检索并打印长度结果的值。如果你不熟悉异步编程，请花 1 分钟时间考虑同步行为和异步行为之间的差异。当其工作完成时（第 5 步）会返回一个同步方法，但当其工作挂起时（第 3 步和第 6 步），异步方法会返回一个任务值。在异步方法最终完成其工作时，任务会标记为已完成，而结果（如果有）将存储在任务中。

简单说下重点，就是await执行完后会回到方法调用方地方。

private static void Main(string[] args)
{
    Caller();
}
private static void Caller()
{
    Console.WriteLine("Caller：Call AsyncFunc");
    AsyncFunc();
    Console.WriteLine("Caller：Call Finished");
    Thread.Sleep(300);
    Console.WriteLine("Caller：sleep 300ms");
    Thread.Sleep(300);
    Console.WriteLine("Caller：sleep 300ms");
    Console.WriteLine("Caller：end");
}

private static async Task AsyncFunc()
{
    Console.WriteLine("AsyncFunc：befor await");
    await Task.Run(() => { Console.WriteLine("await task running"); Thread.Sleep(500); });
    Console.WriteLine("AsyncFunc：after await");
}

Caller：Call AsyncFunc
AsyncFunc：befor await
Caller：Call Finished
await task running
Caller：sleep 300ms
AsyncFunc：after await
Caller：sleep 300ms
Caller：end

即是说上面例子中的AsyncFunc()异步方法执行到await会返回到Caller()中，如果Caller()中对异步方法的调用方式是同步的（如上）则Caller自身线程继续执行后续任务。
这一点在界面化编程中较为重要，代码不正确顺序会在窗体程序中造成死锁或异常,这一点在后续文章《C# 异步编程 WinForm中的常见问题》中做详细说明。

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