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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