走进异步编程的世界 - 剖析异步方法（上）

序

　　这是上篇《走进异步编程的世界 - 开始接触 async/await 异步编程》（入门）的第二章内容，主要是与大家共同深入探讨下异步方法。

　　本文要求了解委托的使用。

介绍异步方法

异步方法：在执行完成前立即返回调用方法，在调用方法继续执行的过程中完成任务。

语法分析：

（1）关键字：方法头使用 async 修饰。

（2）要求：包含 N（N>0）个 await 表达式（不存在 await 表达式的话 IDE 会发出警告），表示需要异步执行的任务。【备注】感谢 czcz1024 的修正与补充：没有的话，就和普通方法一样执行了。

（3）返回类型：只能返回 3 种类型（void、Task 和 Task<T>）。Task 和 Task<T> 标识返回的对象会在将来完成工作，表示调用方法和异步方法可以继续执行。

（4）参数：数量不限。但不能使用 out 和 ref 关键字。

（5）命名约定：方法后缀名应以 Async 结尾。

（6）其它：匿名方法和 Lambda 表达式也可以作为异步对象；async 是一个上下文关键字；关键字 async 必须在返回类型前。

图1 异步方法的简单结构图

　　关于 async 关键字：

　　①在返回类型之前包含 async 关键字

　　②它只是标识该方法包含一个或多个 await 表达式，即，它本身不创建异步操作。

　　③它是上下文关键字，即可作为变量名。

　　现在先来简单分析一下这三种返回值类型：void、Task 和 Task<T>

　　（1）Task<T>：调用方法要从调用中获取一个 T 类型的值，异步方法的返回类型就必须是Task<T>。调用方法从 Task 的 Result 属性获取的就是 T 类型的值。

 1         private static void Main(string[] args)
 2         {
 3             Task<int> t = Calculator.AddAsync(1, 2);
 4 
 5             //一直在干活
 6 
 7             Console.WriteLine($"result: {t.Result}");
 8 
 9             Console.Read();
10         }

Program.cs

 1     internal class Calculator
 2     {
 3         private static int Add(int n, int m)
 4         {
 5             return n + m;
 6         }
 7 
 8         public static async Task<int> AddAsync(int n, int m)
 9         {
10             int val = await Task.Run(() => Add(n, m));
11 
12             return val;
13         }
14     }

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图2

图3

　　（2）Task：调用方法不需要从异步方法中取返回值，但是希望检查异步方法的状态，那么可以选择可以返回 Task 类型的对象。不过，就算异步方法中包含 return 语句，也不会返回任何东西。

 1         private static void Main(string[] args)
 2         {
 3             Task t = Calculator.AddAsync(1, 2);
 4 
 5             //一直在干活
 6 
 7             t.Wait();
 8             Console.WriteLine("AddAsync 方法执行完成");
 9 
10             Console.Read();
11         }

Program.cs

 1     internal class Calculator
 2     {
 3         private static int Add(int n, int m)
 4         {
 5             return n + m;
 6         }
 7 
 8         public static async Task AddAsync(int n, int m)
 9         {
10             int val = await Task.Run(() => Add(n, m));
11             Console.WriteLine($"Result: {val}");
12         }
13     }

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图4

图5

　　（3）void：调用方法执行异步方法，但又不需要做进一步的交互。

 1         private static void Main(string[] args)
 2         {
 3             Calculator.AddAsync(1, 2);
 4 
 5             //一直在干活
 6 
 7             Thread.Sleep(1000); //挂起1秒钟
 8             Console.WriteLine("AddAsync 方法执行完成");
 9 
10             Console.Read();
11         }

Program.cs

 1     internal class Calculator
 2     {
 3         private static int Add(int n, int m)
 4         {
 5             return n + m;
 6         }
 7 
 8         public static async void AddAsync(int n, int m)
 9         {
10             int val = await Task.Run(() => Add(n, m));
11             Console.WriteLine($"Result: {val}");
12         }
13     }

Calculator.cs

图6

图7

一、控制流

异步方法的结构可拆分成三个不同的区域：

（1）表达式之前的部分：从方法头到第一个 await 表达式之间的所有代码。

（2）await 表达式：将被异步执行的代码。

（3）表达式之后的部分：await 表达式的后续部分。

　　图1-1

　　该异步方法执行流程：从await表达式之前的地方开始，同步执行到第一个 await，标识着第一部分执行结束，一般来说此时 await 工作还没完成。当await 任务完成后，该方法将继续同步执行后续部分。在执行的后续部分中，如果依然存在 await，就重复上述过程。

　　当到达 await 表达式时，线程将从异步方法返回到调用方法。如果异步方法的返回类型为 Task 或 Task<T>，会创建一个 Task 对象，标识需要异步完成的任务，然后将 Task 返回来调用方法。

　　图1-2

　　异步方法的控制流：

　　①异步执行 await 表达式的空闲任务。

　　②await 表达式执行完成，继续执行后续部分。如再遇到 await 表达式，按相同情况进行处理。

　　③到达末尾或遇到 return 语句时，根据返回类型可以分三种情况：

　　　　a.void：退出控制流。

　　　　b.Task：设置 Task 的属性并退出。

　　　　c.Task<T>：设置 Task 的属性和返回值（Result 属性）并退出。

　　④同时，调用方法将继续执行，从异步方法获取 Task 对象。需要值的时候，会暂停等到 Task 对象的 Result 属性被赋值才会继续执行。

　　【难点】

　　①第一次遇到 await 所返回对象的类型。这个返回类型就是同步方法头的返回类型，跟 await 表达式的返回值没有关系。

　　②到达异步方法的末尾或遇到 return 语句，它并没有真正的返回一个值，而是退出了该方法。

二、await 表达式

　　await 表达式指定了一个异步执行的任务。默认情况，该任务在当前线程异步执行。

　　每一个任务就是一个 awaitable 类的实例。awaitable 类型指包含 GetAwaiter() 方法的类型。

　　实际上，你并不需要构建自己的 awaitable，一般只需要使用 Task 类，它就是 awaitable。

　　最简单的方式是在方法中使用 Task.Run() 来创建一个 Task。【注意】它是在不同的线程上执行方法。

　　让我们一起来看看示例。

 1     internal class Program
 2     {
 3         private static void Main(string[] args)
 4         {
 5             var t = Do.GetGuidAsync();
 6             t.Wait();
 7 
 8             Console.Read();
 9         }
10 
11 
12         private class Do
13         {
14             /// <summary>
15             /// 获取 Guid
16             /// </summary>
17             /// <returns></returns>
18             private static Guid GetGuid()   //与Func<Guid> 兼容
19             {
20                 return Guid.NewGuid();
21             }
22 
23             /// <summary>
24             /// 异步获取 Guid
25             /// </summary>
26             /// <returns></returns>
27             public static async Task GetGuidAsync()
28             {
29                 var myFunc = new Func<Guid>(GetGuid);
30                 var t1 = await Task.Run(myFunc);
31 
32                 var t2 = await Task.Run(new Func<Guid>(GetGuid));
33 
34                 var t3 = await Task.Run(() => GetGuid());
35 
36                 var t4 = await Task.Run(() => Guid.NewGuid());
37 
38                 Console.WriteLine($"t1: {t1}");
39                 Console.WriteLine($"t2: {t2}");
40                 Console.WriteLine($"t3: {t3}");
41                 Console.WriteLine($"t4: {t4}");
42             }
43         }
44     }

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图2-1

图2-2

　　上面 4 个 Task.Run() 都是采用了 Task Run(Func<TReturn> func) 形式来直接或间接调用 Guid.NewGuid()。

　　Task.Run() 支持 4 中不同的委托类型所表示的方法：Action、Func<TResult>、Func<Task> 和 Func<Task<TResult>>

 1     internal class Program
 2     {
 3         private static void Main(string[] args)
 4         {
 5             var t = Do.GetGuidAsync();
 6             t.Wait();
 7 
 8             Console.Read();
 9         }
10 
11         private class Do
12         {
13             public static async Task GetGuidAsync()
14             {
15                 await Task.Run(() => { Console.WriteLine(Guid.NewGuid()); });   //Action
16 
17                 Console.WriteLine(await Task.Run(() => Guid.NewGuid()));    //Func<TResult>
18 
19                 await Task.Run(() => Task.Run(() => { Console.WriteLine(Guid.NewGuid()); }));   //Func<Task>
20 
21                 Console.WriteLine(await Task.Run(() => Task.Run(() => Guid.NewGuid())));    //Func<Task<TResult>>
22             }
23         }
24     }

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图2-3 Task.Run() 方法的重载

三、How 取消异步操作

　　CancellationToken 和 CancellationTokenSource 这两个类允许你终止执行异步方法。

　　（1）CancellationToken 对象包含任务是否被取消的信息；如果该对象的属性 IsCancellationRequested 为 true，任务需停止操作并返回；该对象操作是不可逆的，且只能使用（修改）一次，即该对象内的 IsCancellationRequested 属性被设置后，就不能改动。

　　（2）CancellationTokenSource 可创建 CancellationToken 对象，调用 CancellationTokenSource 对象的 Cancel 方法，会使该对象的 CancellationToken 属性 IsCancellationRequested 设置为 true。

　　【注意】调用 CancellationTokenSource 对象的 Cancel 方法，并不会执行取消操作，而是会将该对象的 CancellationToken 属性 IsCancellationRequested 设置为 true。

　　示例

 1     internal class Program
 2     {
 3         private static void Main(string[] args)
 4         {
 5             CancellationTokenSource source = new CancellationTokenSource();
 6             CancellationToken token = source.Token;
 7 
 8             var t = Do.ExecuteAsync(token);
 9 
10             //Thread.Sleep(3000);   //挂起 3 秒
11             //source.Cancel();    //传达取消请求
12 
13             t.Wait(token);  //等待任务执行完成
14             Console.WriteLine($"{nameof(token.IsCancellationRequested)}: {token.IsCancellationRequested}");
15 
16             Console.Read();
17         }
18 
19 
20     }
21 
22     internal class Do
23     {
24         /// <summary>
25         /// 异步执行
26         /// </summary>
27         /// <param name="token"></param>
28         /// <returns></returns>
29         public static async Task ExecuteAsync(CancellationToken token)
30         {
31             if (token.IsCancellationRequested)
32             {
33                 return;
34             }
35 
36             await Task.Run(() => CircleOutput(token), token);
37         }
38 
39         /// <summary>
40         /// 循环输出
41         /// </summary>
42         /// <param name="token"></param>
43         private static void CircleOutput(CancellationToken token)
44         {
45             Console.WriteLine($"{nameof(CircleOutput)} 方法开始调用：");
46 
47             const int num = 5;
48             for (var i = 0; i < num; i++)
49             {
50                 if (token.IsCancellationRequested)  //监控 CancellationToken
51                 {
52                     return;
53                 }
54 
55                 Console.WriteLine($"{i + 1}/{num} 完成");
56                 Thread.Sleep(1000);
57             }
58         }
59     }

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