深入解析C#异步编程：await 关键字背后的实现原理

C# 异步编程中 await 实现原理详解

在C#中，async 和 await 关键字用于编写异步代码。本文将详细介绍 await 的实现原理，包括状态机的生成、回调函数的注册和触发等关键步骤。

1. 异步方法的基本概念

在C#中，async 关键字标记一个方法为异步方法，而 await 关键字用于等待一个异步操作完成。异步方法可以提高程序的响应性和性能，特别是在处理I/O操作和网络请求时。

2. 示例异步方法

我们以一个简单的异步方法为例，来详细解释 await 的实现原理。

public class Example {     public async Task<int> CalculateAsync()     {         int a = await Task.Run(() => 10);         int b = await Task.Run(() => 20);         return a + b;     } } 

3. 编译器生成的状态机

编译器会为每个异步方法生成一个状态机。状态机是一个结构体，包含了异步方法的所有局部变量和状态信息。

编译器生成的状态机类

public class Example {     public Task<int> CalculateAsync()     {         <CalculateAsync>d__0 stateMachine = new <CalculateAsync>d__0();         stateMachine.<>4__this = this;         stateMachine.<>t__builder = AsyncTaskMethodBuilder<int>.Create();         stateMachine.<>1__state = -1;         stateMachine.<>t__builder.Start(ref stateMachine);         return stateMachine.<>t__builder.Task;     }      [StructLayout(LayoutKind.Auto)]     [AsyncMethodBuilder(typeof(AsyncTaskMethodBuilder<int>))]     private struct <CalculateAsync>d__0 : IAsyncStateMachine     {         public int <>1__state;         public AsyncTaskMethodBuilder<int> <>t__builder;         public Example <>4__this;         public int <a>5__1;         public TaskAwaiter<int> <>u__1;          private void MoveNext()         {             int num = <>1__state;             try             {                 TaskAwaiter<int> awaiter;                 switch (num)                 {                     case 0:                         goto TR_0000;                     case 1:                         <>1__state = -1;                         awaiter = <>u__1;                         <>u__1 = default(TaskAwaiter<int>);                         goto TR_0001;                     case 2:                         <>1__state = -1;                         break;                     default:                         <>1__state = 0;                         awaiter = Task.Run<int>(() => 10).GetAwaiter();                         if (!awaiter.IsCompleted)                         {                             num = (<>1__state = 0);                             <>u__1 = awaiter;                             <>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);                             return;                         }                         goto TR_0000;                 }                 TR_0000:                 <a>5__1 = awaiter.GetResult();                 awaiter = Task.Run<int>(() => 20).GetAwaiter();                 if (!awaiter.IsCompleted)                 {                     num = (<>1__state = 1);                     <>u__1 = awaiter;                     <>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);                     return;                 }                 TR_0001:                 int b = awaiter.GetResult();                 int result = <a>5__1 + b;                 <>1__state = -2;                 <>t__builder.SetResult(result);             }             catch (Exception exception)             {                 <>1__state = -2;                 <>t__builder.SetException(exception);             }         }          [DebuggerHidden]         private void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine)         {         }     } } 

4. 实现流程详解

初始化状态机

在 CalculateAsync 方法中，创建状态机实例 <CalculateAsync>d__0。

<CalculateAsync>d__0 stateMachine = new <CalculateAsync>d__0(); stateMachine.<>4__this = this; stateMachine.<>t__builder = AsyncTaskMethodBuilder<int>.Create(); stateMachine.<>1__state = -1; 

• <>4__this：指向当前实例，即 Example 类的实例。
• <>t__builder：创建 AsyncTaskMethodBuilder<int> 实例，用于管理任务的生命周期。
• <>1__state：初始化状态为 -1，表示方法尚未开始执行。

开始执行

调用 Start 方法开始执行异步方法。Start 方法会调用状态机的 MoveNext 方法。

stateMachine.<>t__builder.Start(ref stateMachine); 

执行方法体

在 MoveNext 方法中，根据当前状态 <>1__state 执行相应的代码。

private void MoveNext() {     int num = <>1__state;     try     {         TaskAwaiter<int> awaiter;         switch (num)         {             // 处理不同的状态         }     }     catch (Exception exception)     {         <>1__state = -2;         <>t__builder.SetException(exception);     } } 

遇到 await

遇到第一个 await 关键字时，调用 Task.Run(() => 10).GetAwaiter() 获取 Awaiter 对象。

awaiter = Task.Run<int>(() => 10).GetAwaiter(); 

• 检查 awaiter.IsCompleted，如果任务已经完成，直接调用 awaiter.GetResult() 获取结果。
• 如果任务未完成，记录当前状态 <>1__state，保存 awaiter 对象，并调用 <>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted 注册回调。

if (!awaiter.IsCompleted) {     num = (<>1__state = 0);     <>u__1 = awaiter;     <>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);     return; } 

注册回调

AwaitUnsafeOnCompleted 方法会注册一个回调，当任务完成时，回调会被触发。

public void AwaitUnsafeOnCompleted<TAwaiter, TStateMachine>(ref TAwaiter awaiter, ref TStateMachine stateMachine)     where TAwaiter : ICriticalNotifyCompletion     where TStateMachine : IAsyncStateMachine {     awaiter.UnsafeOnCompleted(stateMachine.MoveNext); } 

• awaiter.UnsafeOnCompleted 方法注册一个回调函数，该回调函数会在任务完成时被触发。
• stateMachine.MoveNext 是一个委托，指向状态机的 MoveNext 方法。

任务完成

当任务完成时，回调会被触发，重新调用 MoveNext 方法，恢复异步方法的执行。

public void OnCompleted(Action continuation) {     task.ContinueWith(_ => continuation(), TaskScheduler.Default); } 

继续执行

从上次暂停的地方继续执行方法体。

TR_0000: <a>5__1 = awaiter.GetResult(); awaiter = Task.Run<int>(() => 20).GetAwaiter(); if (!awaiter.IsCompleted) {     num = (<>1__state = 1);     <>u__1 = awaiter;     <>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);     return; } 

• 遇到第二个 await 关键字时，重复上述步骤。

方法完成

当所有异步操作完成并计算出结果后，设置状态 <>1__state 为 -2，表示方法已经完成。

int b = awaiter.GetResult(); int result = <a>5__1 + b; <>1__state = -2; <>t__builder.SetResult(result); 

• 调用 <>t__builder.SetResult 设置任务的结果。
• 如果在执行过程中抛出异常，捕获异常并调用 <>t__builder.SetException 设置任务的异常。

catch (Exception exception) {     <>1__state = -2;     <>t__builder.SetException(exception); } 

5. 深入理解 AsyncTaskMethodBuilder

AsyncTaskMethodBuilder 是一个辅助类，用于构建和管理异步方法的任务。它提供了以下方法：

• Create：创建一个新的 AsyncTaskMethodBuilder 实例。
• Start：开始执行异步方法，调用状态机的 MoveNext 方法。
• AwaitUnsafeOnCompleted：注册回调函数，当任务完成时触发回调。
• SetResult：设置任务的结果。
• SetException：设置任务的异常。

AsyncTaskMethodBuilder 的内部实现

AsyncTaskMethodBuilder 内部维护了一个 Task 对象，用于表示异步操作的结果。当异步方法完成时，SetResult 方法会设置任务的结果，SetException 方法会设置任务的异常。

public struct AsyncTaskMethodBuilder<TResult> {     private Task<TResult> task;      public static AsyncTaskMethodBuilder<TResult> Create()     {         return new AsyncTaskMethodBuilder<TResult>(new Task<TResult>());     }      private AsyncTaskMethodBuilder(Task<TResult> task)     {         this.task = task;     }      public void Start<TStateMachine>(ref TStateMachine stateMachine)         where TStateMachine : IAsyncStateMachine     {         stateMachine.MoveNext();     }      public void AwaitOnCompleted<TAwaiter, TStateMachine>(ref TAwaiter awaiter, ref TStateMachine stateMachine)         where TAwaiter : INotifyCompletion         where TStateMachine : IAsyncStateMachine     {         awaiter.OnCompleted(stateMachine.MoveNext);     }      public void AwaitUnsafeOnCompleted<TAwaiter, TStateMachine>(ref TAwaiter awaiter, ref TStateMachine stateMachine)         where TAwaiter : ICriticalNotifyCompletion         where TStateMachine : IAsyncStateMachine     {         awaiter.UnsafeOnCompleted(stateMachine.MoveNext);     }      public void SetResult(TResult result)     {         task.SetResult(result);     }      public void SetException(Exception exception)     {         task.SetException(exception);     }      public Task<TResult> Task => task; } 

6. 异步方法的生命周期

异步方法的生命周期可以分为以下几个阶段：

1. 初始化：创建状态机实例，初始化状态和任务构建器。
2. 开始执行：调用 Start 方法开始执行异步方法。
3. 执行方法体：在 MoveNext 方法中，根据当前状态执行相应的代码。
4. 遇到 await：检查任务是否完成，如果未完成则注册回调并暂停方法执行。
5. 任务完成：回调被触发，重新调用 MoveNext 方法，恢复异步方法的执行。
6. 方法完成：所有异步操作完成，设置任务的结果或异常。

7. 异步方法的优势

使用 async 和 await 编写的异步方法有以下优势：

• 提高响应性：异步方法不会阻塞主线程，应用程序可以继续响应用户的输入和其他事件。
• 提高性能：异步方法可以并发执行多个任务，充分利用系统资源。
• 简化代码：异步方法的代码结构类似于同步方法，易于理解和维护。

8. 异步方法的注意事项

尽管 async 和 await 提供了许多优势，但在使用时也需要注意以下几点：

• 避免 async void：async void 方法主要用于事件处理程序，其他情况下应避免使用，因为它无法被等待，并且异常处理较为困难。
• 异常处理：异步方法中的异常会被包装在 AggregateException 中，需要特殊处理。
• 资源管理：异步方法中使用 using 语句时，需要注意 Dispose 方法的调用时机。

9. 完整的流程图

为了更好地理解这个过程，可以用流程图来展示：

总结

通过上述详细的解释和示例代码，我们可以总结出以下几点：

1. 异步方法的基本概念：async 和 await 关键字用于编写异步代码。
2. 状态机的生成：编译器为每个异步方法生成一个状态机，包含所有局部变量和状态信息。
3. MoveNext 方法的执行：MoveNext 方法是状态机的核心，负责管理和执行异步操作。
4. 回调函数的注册和触发：
   • 当遇到 await 关键字时，编译器会生成代码来检查任务是否已经完成。
   • 如果任务未完成，注册回调并暂停方法执行。
   • 当任务完成时，回调函数会被触发，重新调用状态机的 MoveNext 方法，从而恢复异步方法的执行。
5. AwaitUnsafeOnCompleted 方法的作用：在任务完成时注册一个回调函数，回调函数会在任务完成后被触发，从而恢复异步方法的执行。

希望这些解释能帮助你更好地理解 await 实现原理。如果你还有任何疑问，请随时提问！
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