C#5.0新增功能01 异步编程

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基于任务的异步模式 (TAP)。

异步模型的基本概述

在大多数情况下模型十分简单：

对于 I/O 绑定代码，当你 await 一个操作，它将返回 async 方法中的一个 Task 或 Task<T>。

对于 CPU 绑定代码，当你 await 一个操作，它将在后台线程通过 Task.Run 方法启动。

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。

除上方链接的 TAP 文章中介绍的 async 和 await 之外，还有其他处理异步代码的方法，但本文档将在下文中重点介绍语言级别的构造。

I/O 绑定示例：从 Web 服务下载数据

只需执行如下操作即可轻松实现：

private readonly HttpClient _httpClient = new HttpClient();

downloadButton.Clicked += async (o, e) =>
{
    // 当来自Web服务的请求发生时，此行将向UI提供控制权。
    // UI线程现在可以自由执行其他工作
    var stringData = await _httpClient.GetStringAsync(URL);
    DoSomethingWithData(stringData);
};

代码表示目的（异步下载某些数据），而不会在与任务对象的交互中停滞。

CPU 绑定示例：为游戏执行计算

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！

这可确保在执行工作时 UI 能流畅运行。

private DamageResult CalculateDamageDone()
{
    // ··· 省略的业务逻辑代码
    //
    //执行昂贵的计算并返回该计算的结果。
}

calculateButton.Clicked += async (o, e) =>
{
    // 此行将在计算 damagedone（）执行其工作时向UI提供控制权。
    // UI线程现在可以自由执行其他工作
    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。

内部原理

深入了解异步，以获取详细信息。

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。

异步的承诺模型的实现。

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构造。
• 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。

识别 CPU 绑定和 I/O 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：

1. 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。

2. 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。

深入了解异步的文章中说明。

任务并行库。

每种选择都有折衷，应根据自身情况选择正确的折衷方案。

更多示例

它使用 ASP.NET MVC 定义执行此任务的 Web 控制器方法，以便返回数字。

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> GetDotNetCountAsync()
{
    // 挂起 GetDotNetCountAsync()方法，以允许调用方（Web服务器）接受另一个请求，而不是阻止此请求。
    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 SeeTheDotNets_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    // 在这里捕获任务句柄，以便稍后等待后台任务
    var getDotNetFoundationHtmlTask = _httpClient.GetStringAsync("https://www.dotnetfoundation.org");

    // 用户界面线程上的任何其他工作都可以在这里完成，例如启用进度条。
    // 在“等待”调用之前，这一点很重要，这样用户就可以在生成此方法的执行之前看到进度条。
    NetworkProgressBar.IsEnabled = true;
    NetworkProgressBar.Visibility = Visibility.Visible;

    // await 操作符挂起 SeeTheDotNets_Click 事件，将控制权返回给调用方。
    // 这使得应用程序能够响应而不阻塞UI线程。
    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;
}

等待多个任务完成

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)
{
    // ··· 省略的业务逻辑代码
    // 给定用户Id {userId}，检索与数据库中条目对应的用户对象，其中 {userId}作为其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);
}

以下是使用 LINQ 进行更简洁编写的另一种方法：

public async Task<User> GetUserAsync(int userId)
{
    // ··· 省略的业务逻辑代码
    // 给定用户Id {userId}，检索与数据库中条目对应的用户对象，其中 {userId}作为其ID
}

public static async Task<User[]> GetUsersAsync(IEnumerable<int> userIds)
{
    var getUserTasks = userIds.Select(id => GetUserAsync(id));
    return await Task.WhenAll(getUserTasks);
}

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。

重要信息和建议

尽管异步编程相对简单，但应记住一些可避免意外行为的要点。

• async方法需在其主体中具有await 关键字，否则它们将永不暂停！

请注意这会导致效率低下，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。

• 应将“Async”作为后缀添加到所编写的每个异步方法名称中。

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。

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。

• 十分难以测试 async void 方法。

• 如果调用方不希望 async void 方法是异步方法，则这些方法可能会产生不好的副作用。

• 在 LINQ 表达式中使用异步 lambda 时请谨慎

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

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

• 编写状态欠缺的代码

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。

这么做能获得高度可预测、可测试和可维护的基本代码。

其他资源

• 深入了解异步提供了关于任务如何工作的详细信息。
• 使用 Async 和 Await 的异步编程 (C#)
• Six Essential Tips for Async（关于异步的六个要点）是有关异步编程的绝佳资源

 

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