C# 彻底搞懂async/await

关键:

 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。

 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)。

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:

class Program
    {
        //创建计时器
        private static readonly Stopwatch Watch = new Stopwatch();
 
        private static void Main(string[] args)
        {
            //启动计时器
            Watch.Start();
 
            const string url1 = "http://www.cnblogs.com/";
            const string url2 = "http://www.cnblogs.com/liqingwen/";
 
            //两次调用 CountCharacters 方法(下载某网站内容,并统计字符的个数)
            var result1 = CountCharacters(1, url1);
            var result2 = CountCharacters(2, url2);
 
            //三次调用 ExtraOperation 方法(主要是通过拼接字符串达到耗时操作)
            for (var i = 0; i < 3; i++)
            {
                ExtraOperation(i + 1);
            }
 
            //控制台输出
            Console.WriteLine($"{url1} 的字符个数:{result1}");
            Console.WriteLine($"{url2} 的字符个数:{result2}");
 
            Console.Read();
        }
 
        /// <summary>
        /// 统计字符个数
        /// </summary>
        /// <param name="id"></param>
        /// <param name="address"></param>
        /// <returns></returns>
        private static int CountCharacters(int id, string address)
        {
            var wc = new WebClient();
            Console.WriteLine($"开始调用 id = {id}:{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
 
            var result = wc.DownloadString(address);
            Console.WriteLine($"调用完成 id = {id}:{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
 
            return result.Length;
        }
 
        /// <summary>
        /// 额外操作
        /// </summary>
        /// <param name="id"></param>
        private static void ExtraOperation(int id)
        {
            //这里是通过拼接字符串进行一些相对耗时的操作
            var s = "";
 
            for (var i = 0; i < 6000; i++)
            {
                s += i;
            }
 
            Console.WriteLine($"id = {id} 的 ExtraOperation 方法完成:{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
        }
    }

 

 

                                            

                                                         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。

class Program
    {
        //创建计时器
        private static readonly Stopwatch Watch = new Stopwatch();
 
        private static void Main(string[] args)
        {
            //启动计时器
            Watch.Start();
 
            const string url1 = "http://www.cnblogs.com/";
            const string url2 = "http://www.cnblogs.com/liqingwen/";
 
            //两次调用 CountCharactersAsync 方法(异步下载某网站内容,并统计字符的个数)
            Task<int> t1 = CountCharactersAsync(1, url1);
            Task<int> t2 = CountCharactersAsync(2, url2);
 
            //三次调用 ExtraOperation 方法(主要是通过拼接字符串达到耗时操作)
            for (var i = 0; i < 3; i++)
            {
                ExtraOperation(i + 1);
            }
 
            //控制台输出
            Console.WriteLine($"{url1} 的字符个数:{t1.Result}");
            Console.WriteLine($"{url2} 的字符个数:{t2.Result}");
 
            Console.Read();
        }
 
        /// <summary>
        /// 统计字符个数
        /// </summary>
        /// <param name="id"></param>
        /// <param name="address"></param>
        /// <returns></returns>
        private static async Task<int> CountCharactersAsync(int id, string address)
        {
            var wc = new WebClient();
            Console.WriteLine($"开始调用 id = {id}:{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
 
            var result = await wc.DownloadStringTaskAsync(address);
            Console.WriteLine($"调用完成 id = {id}:{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
 
            return result.Length;
        }
 
        /// <summary>
        /// 额外操作
        /// </summary>
        /// <param name="id"></param>
        private static void ExtraOperation(int id)
        {
            //这里是通过拼接字符串进行一些相对耗时的操作
            var s = "";
 
            for (var i = 0; i < 6000; i++)
            {
                s += i;
            }
 
            Console.WriteLine($"id = {id} 的 ExtraOperation 方法完成:{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
        }
    }
 
//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

 

 

async/await的优雅的打开方式是这样的:

private async void button1_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            var t = Task.Run(() => {
                Thread.Sleep(5000);
                return "Hello I am TimeConsumingMethod";
            });
            textBox1.Text = await t;
        }

寥寥几行就搞定了,不用再多写那么多函数,使用起来也很灵活。最让人头疼的跨线程修改控件的问题完美解决了,再也不用使用Invoke了,因为修改控件的操作压根就是在原来的线程上做的,还能不阻塞UI。

posted @ 2020-03-31 15:28  小y  阅读(...)  评论(...编辑  收藏