.NET 中的 async/await 非同步程式設計

前言

最近在學習Web Api框架的時候接觸到了async/await，這個特性是.NET 4.5引入的，由於之前對於非同步程式設計不是很瞭解，所以花費了一些時間學習一下相關的知識，並整理成這篇部落格，如果在閱讀的過程中發現不對的地方，歡迎大家指正。

同步程式設計與非同步程式設計

通常情況下，我們寫的C#程式碼就是同步的，執行在同一個執行緒中，從程式的第一行程式碼到最後一句程式碼順序執行。而非同步程式設計的核心是使用多執行緒，通過讓不同的執行緒執行不同的任務，實現不同程式碼的並行執行。

前臺執行緒與後臺執行緒

關於多執行緒，早在.NET2.0時代，基礎類庫中就提供了Thread實現。預設情況下，例項化一個Thread建立的是前臺執行緒，只要有前臺執行緒在執行，應用程式的程式就一直處於執行狀態，以控制檯應用程式為例，在Main方法中例項化一個Thread，這個Main方法就會等待Thread執行緒執行完畢才退出。而對於後臺執行緒，應用程式將不考慮其是否執行完畢，只要應用程式的主執行緒和前臺執行緒執行完畢就可以退出，退出後所有的後臺執行緒將被自動終止。來看程式碼應該更清楚一些：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace ConsoleApp
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("主執行緒開始");

            //例項化Thread，預設建立前臺執行緒
            Thread t1 = new Thread(DoRun1);
            t1.Start();

            //可以通過修改Thread的IsBackground，將其變為後臺執行緒
            Thread t2 = new Thread(DoRun2) { IsBackground = true };
            t2.Start();

            Console.WriteLine("主執行緒結束");
        }

        static void DoRun1()
        {
            Thread.Sleep(500);
            Console.WriteLine("這是前臺執行緒呼叫");
        }

        static void DoRun2()
        {
            Thread.Sleep(1500);
            Console.WriteLine("這是後臺執行緒呼叫");
        }
    }
}

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using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Threading;

using System.Threading.Tasks;

namespace ConsoleApp

{

class Program

{

static void Main(string[] args)

{

Console.WriteLine("主執行緒開始");

//例項化Thread，預設建立前臺執行緒

Thread t1 = new Thread(DoRun1);

t1.Start();

//可以通過修改Thread的IsBackground，將其變為後臺執行緒

Thread t2 = new Thread(DoRun2) { IsBackground = true };

t2.Start();

Console.WriteLine("主執行緒結束");

}

static void DoRun1()

{

Thread.Sleep(500);

Console.WriteLine("這是前臺執行緒呼叫");

}

static void DoRun2()

{

Thread.Sleep(1500);

Console.WriteLine("這是後臺執行緒呼叫");

}

執行上面的程式碼，可以看到DoRun2方法的列印資訊“這是後臺執行緒呼叫”將不會被顯示出來，因為應用程式執行完主執行緒和前臺執行緒後，就自動退出了，所有的後臺執行緒將被自動終止。這裡後臺執行緒設定了等待1.5s，假如這個後臺執行緒比前臺執行緒或主執行緒提前執行完畢，對應的資訊“這是後臺執行緒呼叫”將可以被成功列印出來。

Task

.NET 4.0推出了新一代的多執行緒模型Task。async/await特性是與Task緊密相關的，所以在瞭解async/await前必須充分了解Task的使用。這裡將以一個簡單的Demo來看一下Task的使用，同時與Thread的建立方式做一下對比。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Web;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace TestApp
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("主執行緒啟動");

            //.NET 4.5引入了Task.Run靜態方法來啟動一個執行緒
            Task.Run(() => { Thread.Sleep(1000); Console.WriteLine("Task1啟動"); });

            //Task啟動的是後臺執行緒，假如要在主執行緒中等待後臺執行緒執行完畢，可以呼叫Wait方法
            Task task = Task.Run(() => { Thread.Sleep(500); Console.WriteLine("Task2啟動"); });
            task.Wait();

            Console.WriteLine("主執行緒結束");
        }
    }
}

Task的使用

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using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Web;

using System.Threading;

using System.Threading.Tasks;

namespace TestApp

{

class Program

{

static void Main(string[] args)

{

Console.WriteLine("主執行緒啟動");

//.NET 4.5引入了Task.Run靜態方法來啟動一個執行緒

Task.Run(() => { Thread.Sleep(1000); Console.WriteLine("Task1啟動"); });

//Task啟動的是後臺執行緒，假如要在主執行緒中等待後臺執行緒執行完畢，可以呼叫Wait方法

Task task = Task.Run(() => { Thread.Sleep(500); Console.WriteLine("Task2啟動"); });

task.Wait();

Console.WriteLine("主執行緒結束");

}

Task的使用

首先，必須明確一點是Task啟動的執行緒是後臺執行緒，不過可以通過在Main方法中呼叫task.Wait()方法，使應用程式等待task執行完畢。Task與Thread的一個重要區分點是：Task底層是使用執行緒池的，而Thread每次例項化都會建立一個新的執行緒。這裡可以通過這段程式碼做一次驗證：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Web;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace TestApp
{
    class Program
    {
        static void DoRun1()
        {
            Console.WriteLine("Thread Id =" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
        }

        static void DoRun2()
        {
            Thread.Sleep(50);
            Console.WriteLine("Task呼叫Thread Id =" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            for (int i = 0; i < 50; i++)
            {
                new Thread(DoRun1).Start();
            }

            for (int i = 0; i < 50; i++)
            {
                Task.Run(() => { DoRun2(); });
            }

            //讓應用程式不立即退出
            Console.Read();
        }
    }
}

Task底層使用執行緒池

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using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Web;

using System.Threading;

using System.Threading.Tasks;

namespace TestApp

{

class Program

{

static void DoRun1()

{

Console.WriteLine("Thread Id =" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

}

static void DoRun2()

{

Thread.Sleep(50);

Console.WriteLine("Task呼叫Thread Id =" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

}

static void Main(string[] args)

{

for (int i = 0; i < 50; i++)

{

new Thread(DoRun1).Start();

}

for (int i = 0; i < 50; i++)

{

Task.Run(() => { DoRun2(); });

}

//讓應用程式不立即退出

Console.Read();

}

Task底層使用執行緒池

執行程式碼，可以看到DoRun1()方法每次的Thread Id都是不同的，而DoRun2()方法的Thread Id是重複出現的。我們知道執行緒的建立和銷燬是一個開銷比較大的操作，Task.Run()每次執行將不會立即建立一個新執行緒，而是到CLR執行緒池檢視是否有空閒的執行緒，有的話就取一個執行緒處理這個請求，處理完請求後再把執行緒放回執行緒池，這個執行緒也不會立即撤銷，而是設定為空閒狀態，可供執行緒池再次排程，從而減少開銷。

Task<TResult>

Task<TResult>是Task的泛型版本，這兩個之間的最大不同是Task<TResult>可以有一個返回值，看一下程式碼應該一目瞭然：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Web;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace TestApp
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("主執行緒開始");

            Task<string> task = Task<string>.Run(() => { Thread.Sleep(1000); return Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString(); });
            Console.WriteLine(task.Result);

            Console.WriteLine("主執行緒結束");
        }
    }
}

Task<TResult>的使用

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using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Web;

using System.Threading;

using System.Threading.Tasks;

namespace TestApp

{

class Program

{

static void Main(string[] args)

{

Console.WriteLine("主執行緒開始");

Task<string> task = Task<string>.Run(() => { Thread.Sleep(1000); return Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString(); });

Console.WriteLine(task.Result);

Console.WriteLine("主執行緒結束");

}

Task<TResult>的使用

Task<TResult>的例項物件有一個Result屬性，當在Main方法中呼叫task.Result的時候，將等待task執行完畢並得到返回值，這裡的效果跟呼叫task.Wait()是一樣的，只是多了一個返回值。

async/await 特性

經過前面的鋪墊，終於迎來了這篇文章的主角async/await，還是先通過程式碼來感受一下這兩個特性的使用。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Web;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace TestApp
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("-------主執行緒啟動-------");
            Task<int> task = GetLengthAsync();
            Console.WriteLine("Main方法做其他事情");
            Console.WriteLine("Task返回的值" + task.Result);
            Console.WriteLine("-------主執行緒結束-------");
        }

        static async Task<int> GetLengthAsync()
        {
            Console.WriteLine("GetLengthAsync Start");  
            string str = await GetStringAsync();
            Console.WriteLine("GetLengthAsync End");
            return str.Length;
        }

        static Task<string> GetStringAsync()
        {
            return Task<string>.Run(() => { Thread.Sleep(2000); return "finished"; });
        }
    }
}

async/await 用法

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using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Web;

using System.Threading;

using System.Threading.Tasks;

namespace TestApp

{

class Program

{

static void Main(string[] args)

{

Console.WriteLine("-------主執行緒啟動-------");

Task<int> task = GetLengthAsync();

Console.WriteLine("Main方法做其他事情");

Console.WriteLine("Task返回的值" + task.Result);

Console.WriteLine("-------主執行緒結束-------");

}

static async Task<int> GetLengthAsync()

{

Console.WriteLine("GetLengthAsync Start");

string str = await GetStringAsync();

Console.WriteLine("GetLengthAsync End");

return str.Length;

}

static Task<string> GetStringAsync()

{

return Task<string>.Run(() => { Thread.Sleep(2000); return "finished"; });

}

async/await 用法

首先來看一下async關鍵字。async用來修飾方法，表明這個方法是非同步的，宣告的方法的返回型別必須為：void或Task或Task<TResult>。返回型別為Task的非同步方法中無需使用return返回值，而返回型別為Task<TResult>的非同步方法中必須使用return返回一個TResult的值，如上述Demo中的非同步方法返回一個int。

再來看一下await關鍵字。await必須用來修飾Task或Task<TResult>，而且只能出現在已經用async關鍵字修飾的非同步方法中。

通常情況下，async/await必須成對出現才有意義，假如一個方法宣告為async，但卻沒有使用await關鍵字，則這個方法在執行的時候就被當作同步方法，這時編譯器也會丟擲警告提示async修飾的方法中沒有使用await，將被作為同步方法使用。瞭解了關鍵字async\await的特點後，我們來看一下上述Demo在控制檯會輸入什麼吧。

輸出的結果已經很明確地告訴我們整個執行流程了。GetLengthAsync非同步方法剛開始是同步執行的，所以”GetLengthAsync Start”字串會被列印出來，直到遇到第一個await關鍵字，真正的非同步任務GetStringAsync開始執行，await相當於起到一個標記/喚醒點的作用，同時將控制權放回給Main方法，”Main方法做其他事情”字串會被列印出來。之後由於Main方法需要訪問到task.Result，所以就會等待非同步方法GetLengthAsync的執行，而GetLengthAsync又等待GetStringAsync的執行，一旦GetStringAsync執行完畢，就會回到await GetStringAsync這個點上執行往下執行，這時”GetLengthAsync End”字串就會被列印出來。

當然，我們也可以使用下面的方法完成上面控制檯的輸出。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Web;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace TestApp
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("-------主執行緒啟動-------");
            Task<int> task = GetLengthAsync();
            Console.WriteLine("Main方法做其他事情");
            Console.WriteLine("Task返回的值" + task.Result);
            Console.WriteLine("-------主執行緒結束-------");
        }

        static Task<int> GetLengthAsync()
        {
            Console.WriteLine("GetLengthAsync Start");
            Task<int> task = Task<int>.Run(() => { string str = GetStringAsync().Result; 
                Console.WriteLine("GetLengthAsync End"); 
                return str.Length; });           
            return task;
        }

        static Task<string> GetStringAsync()
        {
            return Task<string>.Run(() => { Thread.Sleep(2000); return "finished"; });
        }
    }
}

不使用async\await

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using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Web;

using System.Threading;

using System.Threading.Tasks;

namespace TestApp

{

class Program

{

static void Main(string[] args)

{

Console.WriteLine("-------主執行緒啟動-------");

Task<int> task = GetLengthAsync();

Console.WriteLine("Main方法做其他事情");

Console.WriteLine("Task返回的值" + task.Result);

Console.WriteLine("-------主執行緒結束-------");

}

static Task<int> GetLengthAsync()

{

Console.WriteLine("GetLengthAsync Start");

Task<int> task = Task<int>.Run(() => { string str = GetStringAsync().Result;

Console.WriteLine("GetLengthAsync End");

return str.Length; });

return task;

}

static Task<string> GetStringAsync()

{

return Task<string>.Run(() => { Thread.Sleep(2000); return "finished"; });

}

不使用async\await

對比兩種方法，是不是async\await關鍵字的原理其實就是通過使用一個執行緒完成非同步呼叫嗎？答案是否定的。async關鍵字表明可以在方法內部使用await關鍵字，方法在執行到await前都是同步執行的，執行到await處就會掛起，並返回到Main方法中，直到await標記的Task執行完畢，才喚醒回到await點上，繼續向下執行。更深入點的介紹可以檢視文章末尾的參考文獻。

async/await 實際應用

微軟已經對一些基礎類庫的方法提供了非同步實現，接下來將實現一個例子來介紹一下async/await的實際應用。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Web;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using System.Net;

namespace TestApp
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("開始獲取部落格園首頁字元數量");
            Task<int> task1 = CountCharsAsync("http://www.cnblogs.com");
            Console.WriteLine("開始獲取百度首頁字元數量");
            Task<int> task2 = CountCharsAsync("http://www.baidu.com");

            Console.WriteLine("Main方法中做其他事情");

            Console.WriteLine("部落格園:" + task1.Result);
            Console.WriteLine("百度:" + task2.Result);
        }

        static async Task<int> CountCharsAsync(string url)
        {
            WebClient wc = new WebClient();
            string result = await wc.DownloadStringTaskAsync(new Uri(url));
            return result.Length;
        }
    }
}

Demo

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using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Web;

using System.Threading;

using System.Threading.Tasks;

using System.Net;

namespace TestApp

{

class Program

{

static void Main(string[] args)

{

Console.WriteLine("開始獲取部落格園首頁字元數量");

Task<int> task1 = CountCharsAsync("http://www.cnblogs.com");

Console.WriteLine("開始獲取百度首頁字元數量");

Task<int> task2 = CountCharsAsync("http://www.baidu.com");

Console.WriteLine("Main方法中做其他事情");

Console.WriteLine("部落格園:" + task1.Result);

Console.WriteLine("百度:" + task2.Result);

}

static async Task<int> CountCharsAsync(string url)

{

WebClient wc = new WebClient();

string result = await wc.DownloadStringTaskAsync(new Uri(url));

return result.Length;

}

Demo

參考文獻：<IIIustrated C# 2012> 關於async/await的FAQ

.NET 中的 async/await 非同步程式設計

前言

同步程式設計與非同步程式設計

前臺執行緒與後臺執行緒

Task

Task<TResult>

async/await 特性

async/await 實際應用

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