[C#] 走进异步编程的世界 - 开始接触 async/await

走进异步编程的世界 - 开始接触 async/await

 

  这是学习异步编程的入门篇。

  涉及 C# 5.0 引入的 async/await,但在控制台输出示例时经常会采用 C# 6.0 的 $"" 来拼接字符串,相当于string.Format() 方法。

 

目录

 

一、What's 异步?

     启动程序时,系统会在内存中创建一个新的进程。进程是构成运行程序资源的集合。
     在进程内部,有称为线程的内核对象,它代表的是真正的执行程序。系统会在 Main 方法的第一行语句就开始线程的执行。
 
     线程
     ①默认情况,一个进程只包含一个线程,从程序的开始到执行结束;
     ②线程可以派生自其它线程,所以一个进程可以包含不同状态的多个线程,来执行程序的不同部分;
     ③一个进程中的多个线程,将共享该进程的资源;
     ④系统为处理器执行所规划的单元是线程,而非进程
 
     一般来说我们写的控制台程序都只使用了一个线程,从第一条语句按顺序执行到最后一条。但在很多的情况下,这种简单的模型会在性能或用户体验上不好。
     例如:服务器要同时处理来自多个客户端程序的请求,又要等待数据库和其它设备的响应,这将严重影响性能。程序不应该将时间浪费在响应上,而要在等待的同时执行其它任务!
     现在我们开始进入异步编程。在异步程序中,代码不需要按照编写时的顺序执行。这时我们需要用到 C# 5.0 引入的 async/await 来构建异步方法。
 
     我们先看一下不用异步的示例:
 1     class Program
 2     {
 3         //创建计时器
 4         private static readonly Stopwatch Watch = new Stopwatch();
 5 
 6         private static void Main(string[] args)
 7         {
 8             //启动计时器
 9             Watch.Start();
10 
11             const string url1 = "http://www.cnblogs.com/";
12             const string url2 = "http://www.cnblogs.com/liqingwen/";
13 
14             //两次调用 CountCharacters 方法(下载某网站内容,并统计字符的个数)
15             var result1 = CountCharacters(1, url1);
16             var result2 = CountCharacters(2, url2);
17 
18             //三次调用 ExtraOperation 方法(主要是通过拼接字符串达到耗时操作)
19             for (var i = 0; i < 3; i++)
20             {
21                 ExtraOperation(i + 1);
22             }
23 
24             //控制台输出
25             Console.WriteLine($"{url1} 的字符个数:{result1}");
26             Console.WriteLine($"{url2} 的字符个数:{result2}");
27 
28             Console.Read();
29         }
30 
31         /// <summary>
32         /// 统计字符个数
33         /// </summary>
34         /// <param name="id"></param>
35         /// <param name="address"></param>
36         /// <returns></returns>
37         private static int CountCharacters(int id, string address)
38         {
39             var wc = new WebClient();
40             Console.WriteLine($"开始调用 id = {id}:{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
41 
42             var result = wc.DownloadString(address);
43             Console.WriteLine($"调用完成 id = {id}:{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
44 
45             return result.Length;
46         }
47 
48         /// <summary>
49         /// 额外操作
50         /// </summary>
51         /// <param name="id"></param>
52         private static void ExtraOperation(int id)
53         {
54             //这里是通过拼接字符串进行一些相对耗时的操作
55             var s = "";
56 
57             for (var i = 0; i < 6000; i++)
58             {
59                 s += i;
60             }
61 
62             Console.WriteLine($"id = {id} 的 ExtraOperation 方法完成:{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
63         }
64     }
     图1-1 运行的效果图,以毫秒(ms)为单位
 
  【备注】一般来说,直接拼接字符串是一种比较耗性能的手段,如果对字符串拼接有性能要求的话应该使用 StringBuilder。
  【注意】每次运行的结果可能不同。不管哪次调试,绝大部分时间都浪费前两次调用(CountCharacters 方法),即在等待网站的响应上。
 

  图1-2 根据执行结果所画的时间轴

 

     有人曾幻想着这样提高性能的方法:在调用 A 方法时,不等它执行完,直接执行 B 方法,然后等 A 方法执行完成再处理。
     C# 的 async/await 就可以允许我们这么弄。
 1     class Program
 2     {
 3         //创建计时器
 4         private static readonly Stopwatch Watch = new Stopwatch();
 5 
 6         private static void Main(string[] args)
 7         {
 8             //启动计时器
 9             Watch.Start();
10 
11             const string url1 = "http://www.cnblogs.com/";
12             const string url2 = "http://www.cnblogs.com/liqingwen/";
13 
14             //两次调用 CountCharactersAsync 方法(异步下载某网站内容,并统计字符的个数)
15             Task<int> t1 = CountCharactersAsync(1, url1);
16             Task<int> t2 = CountCharactersAsync(2, url2);
17 
18             //三次调用 ExtraOperation 方法(主要是通过拼接字符串达到耗时操作)
19             for (var i = 0; i < 3; i++)
20             {
21                 ExtraOperation(i + 1);
22             }
23 
24             //控制台输出
25             Console.WriteLine($"{url1} 的字符个数:{t1.Result}");
26             Console.WriteLine($"{url2} 的字符个数:{t2.Result}");
27 
28             Console.Read();
29         }
30 
31         /// <summary>
32         /// 统计字符个数
33         /// </summary>
34         /// <param name="id"></param>
35         /// <param name="address"></param>
36         /// <returns></returns>
37         private static async Task<int> CountCharactersAsync(int id, string address)
38         {
39             var wc = new WebClient();
40             Console.WriteLine($"开始调用 id = {id}:{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
41 
42             var result = await wc.DownloadStringTaskAsync(address);
43             Console.WriteLine($"调用完成 id = {id}:{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
44 
45             return result.Length;
46         }
47 
48         /// <summary>
49         /// 额外操作
50         /// </summary>
51         /// <param name="id"></param>
52         private static void ExtraOperation(int id)
53         {
54             //这里是通过拼接字符串进行一些相对耗时的操作
55             var s = "";
56 
57             for (var i = 0; i < 6000; i++)
58             {
59                 s += i;
60             }
61 
62             Console.WriteLine($"id = {id} 的 ExtraOperation 方法完成:{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
63         }
64     }
这是修改后的代码

 图1-3 修改后的执行结果图

图1-4 根据加入异步后的执行结果画的时间轴。

 

  我们观察时间轴发现,新版代码比旧版快了不少(由于网络波动的原因,很可能会出现耗时比之前长的情况)。这是由于 ExtraOperation 方法的数次调用是在 CountCharactersAsync 方法调用时等待响应的过程中进行的。所有的工作都是在主线程中完成的,没有创建新的线程。
 
  【改动分析】只改了几个细节的地方,直接展开代码的话可能看不出来,改动如下:
   
 图1-5

  图1-6

 

  ①从 Main 方法执行到 CountCharactersAsync(1, url1) 方法时,该方法会立即返回,然后才会调用它内部的方法开始下载内容。该方法返回的是一个 Task<int> 类型的占位符对象,表示计划进行的工作。这个占位符最终会返回 int 类型的值。

  ②这样就可以不必等 CountCharactersAsync(1, url1) 方法执行完成就可以继续进行下一步操作。到执行 CountCharactersAsync(2, url2)  方法时,跟 ① 一样返回 Task<int> 对象。

  ③然后,Main 方法继续执行三次 ExtraOperation 方法,同时两次 CountCharactersAsync 方法依然在持续工作 。

  ④t1.Result 和 t2.Result 是指从 CountCharactersAsync 方法调用的 Task<int> 对象取结果,如果还没有结果的话,将阻塞,直有结果返回为止。

 

二、async/await 结构

     先解析一下专业名词:
     同步方法:一个程序调用某个方法,等到其执行完成之后才进行下一步操作。这也是默认的形式。
     异步方法:一个程序调用某个方法,在处理完成之前就返回该方法。通过 async/await 我们就可以实现这种类型的方法。
 
     async/await 结构可分成三部分:
     (1)调用方法:该方法调用异步方法,然后在异步方法执行其任务的时候继续执行;
     (2)异步方法:该方法异步执行工作,然后立刻返回到调用方法;
     (3)await 表达式:用于异步方法内部,指出需要异步执行的任务。一个异步方法可以包含多个 await 表达式(不存在 await 表达式的话 IDE 会发出警告)。
 
  现在我们来分析一下示例。

  图2-1

 

 三、What’s 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。
     (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3-1 异步方法的简单结构图

 

小结

  1.解析了进程和线程的概念

  2.异步的简单用法

  3.async/await 结构体

  4.异步方法语法结构

 

传送门

  下篇:《走进异步编程的世界 - 剖析异步方法(上)》《走进异步编程的世界 - 剖析异步方法(下)

  后篇:《走进异步编程的世界 - 在 GUI 中执行异步操作

 


【参考】《Illustrated C# 2012》
posted @ 2016-09-07 09:35 反骨仔 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏