C# async/await编程模型的执行逻辑解析

发表于 2019-01-31 更新于 2022-08-29 分类于 C# 评论：阅读次数：

简介

C# 5引入了async/await异步编程模型，旨在进一步简化异步编程的难度，让异步执行的代码看起来像同步代码一样简洁和容易理解。但初学者往往会将此异步编程模型与多线程编程模型混淆，以致引起一些不必要的错误如死锁或性能损失。

简而言之，Task是对异步操作的抽象，而非对线程的抽象。 可以认为await关键字暂时释放了线程控制权给界面或主线程，而待较为耗时的异步操作完成之后继续执行下面的代码。一般来说，此处所谓的释放控制权并不一定另起一个线程进行异步操作，这也是许多新接触async/await关键字的开发者最容易疑惑的地方。

在分析async代码执行顺序前，首先比较一下Thread.Sleep()和Task.Delay():

Thread.Sleep(): 同步方法，阻塞当前线程，返回值void。
Task.Delay(): 异步方法，awaitable，返回值Task。

因此，我们结合这两种方法模拟一个耗时的异步函数DoWorkAsync()，其中同步耗时操作主要发生在Thread.Sleep()：

public static async Task DoWorkAsync(string name)
{
    Console.WriteLine($"[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] Enter {name}");
    Thread.Sleep(100);
    await Task.Delay(500);
    Console.WriteLine($"[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] Leave {name}");
}

“假”多任务异步执行

一种常见的异步操作场景即有多个任务希望并发执行，待所有任务执行完毕后，合并结果。则最为常见的写法如下：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Test().Wait();

        Console.ReadKey();
    }

    public static async Task Test()
    {
        Console.WriteLine($"[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] Main");
        var task1 = DoWorkAsync("Task1");
        var task2 = DoWorkAsync("Task2");
        await task1;
        await task2;
        Console.WriteLine($"[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] Leave Main");
    }

    public static async Task DoWorkAsync(string name)
    {
        Console.WriteLine($"[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] Enter {name}");
        Thread.Sleep(100);
        await Task.Delay(500);
        Console.WriteLine($"[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] Leave {name}");
    }
}

执行结果：

[1] Main
[1] Enter Task1
[1] Enter Task2
[4] Leave Task1
[4] Leave Task2
[4] Leave Main

代码执行顺序如下图所示，括号中的数字代表执行步骤顺序：

即首先执行Task1在await关键字之前的同步操作，然后让出控制权到主线程，执行Task2在await关键字之前的同步操作，再让出控制权到主线程，等待两个Task执行完毕。因此，若每个Task在await关键字前有一些开销较大的同步操作，则在执行多个Task时会造成似乎它们在顺序同步执行的错觉。所以这里称其为“假”多任务异步执行。

同时注意到在执行Task1时的线程Id与主线程相同，说明每一个Task在执行行并非一定会创建单独线程，即Task只是对异步操作的抽象。

“真”多任务异步执行

如果希望程序像下图一样同时开始执行两个Task，可以使用Task.Run()指定一个Task在线程池中执行。

public static async Task Test()
{
    Console.WriteLine($"[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] Main");
    var task1 = Task.Run(() => DoWorkAsync("Task1"));
    var task2 = Task.Run(() => DoWorkAsync("Task2"));
    await task1;
    await task2;
    Console.WriteLine($"[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] Leave Main");
}

执行结果：

[1] Main
[4] Enter Task2
[3] Enter Task1
[5] Leave Task1
[6] Leave Task2
[6] Leave Main

注意到这里Task1与Task2所在的线程与主线程不同，且进入函数的时机不确定：可能出现先Task2后Task1。而在“假”异步多线程的情况，Task1一定先于Task2执行。

总结

Task是对异步操作的抽象，而非对线程的抽象。
是否需要显示指定在线程池中执行Task，由实际应用场景决定。在并发执行多任务的场景，尽量在异步方法中少写耗时的同步方法，以最大发挥异步方法的优势。

References:

await (C# Reference)

Async in depth

Asynchronous programming with async and await (C#)

Async/Await - Best Practices in Asynchronous Programming

简介

“假”多任务异步执行

“真”多任务异步执行

总结

References:

Preview: