Async和Await如何简化异步编程

引言

C#5.0中async和await两个关键字,这两个关键字简化了异步编程,之所以简化了,还是因为编译器给我们做了更多的工作,下面就具体看看编译器到底在背后帮我们做了哪些复杂的工作的。


同步代码存在的问题

对于同步的代码,大家肯定都不陌生,因为我们平常写的代码大部分都是同步的,然而同步代码却存在一个很严重的问题,例如我们向一个Web服务器发出一个请求时,如果我们发出请求的代码是同步实现的话,这时候我们的应用程序就会处于等待状态,直到收回一个响应信息为止,然而在这个等待的状态,对于用户不能操作任何的UI界面以及也没有任何的消息,如果我们试图去操作界面时,此时我们就会看到”应用程序为响应”的信息(在应用程序的窗口旁),相信大家在平常使用桌面软件或者访问web的时候,肯定都遇到过这样类似的情况的,对于这个,大家肯定会觉得看上去非常不舒服。引起这个原因正是因为代码的实现是同步实现的,所以在没有得到一个响应消息之前,界面就成了一个”卡死”状态了,所以这对于用户来说肯定是不可接受的,因为如果我要从服务器上下载一个很大的文件时,此时我们甚至不能对窗体进行关闭的操作的。为了具体说明同步代码存在的问题(造成界面开始),下面通过一个程序让大家更形象地看下问题所在:

// 单击事件
        private void btnClick_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            this.btnClick.Enabled = false;
 
            long length = AccessWeb();
            this.btnClick.Enabled = true;
            // 这里可以做一些不依赖回复的操作
            OtherWork();
 
            this.richTextBox1.Text += String.Format("\n 回复的字节长度为:  {0}.\r\n", length);
            txbMainThreadID.Text = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString();
        }
 
        private  long AccessWeb()
        {
            MemoryStream content = new MemoryStream();
 
            // 对MSDN发起一个Web请求
            HttpWebRequest webRequest = WebRequest.Create("http://msdn.microsoft.com/zh-cn/") as HttpWebRequest;
            if (webRequest != null)
            {
                // 返回回复结果
                using (WebResponse response = webRequest.GetResponse())
                {
                    using (Stream responseStream = response.GetResponseStream())
                    {
                        responseStream.CopyTo(content);
                    }
                }
            }
 
            txbAsynMethodID.Text = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString();
            return content.Length;
        }

运行程序后,当我们点击窗体的 “点击我”按钮之后,在得到服务器响应之前,我们不能对窗体进行任何的操作,包括移动窗体,关闭窗体等,具体运行结果如下:

image.png


传统的异步编程来改善程序的响应

上面部分我们已经看到同步方法所带来的实际问题了,为了解决类似的问题,.NET Framework很早就提供了对异步编程的支持,下面就用.NET 1.0中提出的异步编程模型(APM)来解决上面的问题,具体代码如下(注释的部分通过获得GUI线程的同步上文对象,然后同步调用同步上下文对象的post方法把要调用的方法交给GUI线程去处理,因为控件本来就是由GUI线程创建的,然后由它自己执行访问控件的操作就不存在跨线程的问题了,程序中使用的是调用RichTextBox控件的Invoke方式来异步回调访问控件的方法,其实背后的原来和注释部分是一样的,调用RichTextBox控件的Invoke方法可以获得创建RichTextBox控件的线程信息(也就是前一种方式的同步上下文),然后让Invoke回调的方法在该线程上运行):

private void btnClick_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            this.richTextBox1.Clear();
            btnClick.Enabled = false;
            AsyncMethodCaller caller = new AsyncMethodCaller(TestMethod);
            IAsyncResult result = caller.BeginInvoke(GetResult, null);
 
            //// 捕捉调用线程的同步上下文派生对象
            //sc= SynchronizationContext.Current;
        }
 
        # region 使用APM实现异步编程
        // 同步方法
        private string TestMethod()
        {       
            // 模拟做一些耗时的操作
            // 实际项目中可能是读取一个大文件或者从远程服务器中获取数据等。
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                Thread.Sleep(200);
            }
 
            return "点击我按钮事件完成";
        }
 
        // 回调方法
        private void GetResult(IAsyncResult result)
        {
            AsyncMethodCaller caller = (AsyncMethodCaller)((AsyncResult)result).AsyncDelegate;
            // 调用EndInvoke去等待异步调用完成并且获得返回值
            // 如果异步调用尚未完成,则 EndInvoke 会一直阻止调用线程,直到异步调用完成
            string resultvalue = caller.EndInvoke(result);
            //sc.Post(ShowState,resultvalue);
            richTextBox1.Invoke(showStateCallback, resultvalue);
        }
 
        // 显示结果到richTextBox
        private void ShowState(object result)
        {
            richTextBox1.Text = result.ToString();
            btnClick.Enabled = true;
        }
 
        // 显示结果到richTextBox
        //private void ShowState(string result)
        //{
        //    richTextBox1.Text = result;
        //    btnClick.Enabled = true;
        //}
        #endregion


运行的结果为:

image.png


C# 5.0 提供的async和await使异步编程更简单

上面部分演示了使用传统的异步编程模型(APM)来解决同步代码所存在的问题,然而在.NET 2.0,.NET 4.0和.NET 4.5中,微软都有推出新的方式来解决同步代码的问题,他们分别为基于事件的异步模式,基于任务的异步模式和提供async和await关键字来对异步编程支持。关于前两种异步编程模式,在我前面的文章中都有介绍,大家可以查看相关文章进行详细地了解,本部分就C# 5.0中的async和await这两个关键字如何实现异步编程的问题来给大家介绍下。下面通过代码来了解下如何使用async和await关键字来实现异步编程,并且大家也可以参看前面的博客来对比理解使用async和await是异步编程更简单。

private async void btnClick_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            long length = await AccessWebAsync();
 
            // 这里可以做一些不依赖回复的操作
            OtherWork();
 
            this.richTextBox1.Text += String.Format("\n 回复的字节长度为:  {0}.\r\n", length);
            txbMainThreadID.Text = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString();
        }
 
        // 使用C# 5.0中提供的async 和await关键字来定义异步方法
        // 从代码中可以看出C#5.0 中定义异步方法就像定义同步方法一样简单。
        // 使用async 和await定义异步方法不会创建新线程,
        // 它运行在现有线程上执行多个任务.
        // 此时不知道大家有没有一个疑问的?在现有线程上(即UI线程上)运行一个耗时的操作时,
        // 为什么不会堵塞UI线程的呢?
        // 这个问题的答案就是 当编译器看到await关键字时,线程会
        private async Task<long> AccessWebAsync()
        {
            MemoryStream content = new MemoryStream();
 
            // 对MSDN发起一个Web请求
            HttpWebRequest webRequest = WebRequest.Create("http://msdn.microsoft.com/zh-cn/") as HttpWebRequest;
            if (webRequest != null)
            {
                // 返回回复结果
                using (WebResponse response = await webRequest.GetResponseAsync())
                {
                    using (Stream responseStream = response.GetResponseStream())
                    {
                        await responseStream.CopyToAsync(content);
                    }
                }
            }
 
            txbAsynMethodID.Text = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString() ;
            return content.Length;
        }
 
        private void OtherWork()
        {
            this.richTextBox1.Text += "\r\n等待服务器回复中.................\n";
        }

运行结果如下:

image.png

下面再分享下几个关于async和await常问的问题

问题一:是不是写了async关键字的方法就代表该方法是异步方法,不会堵塞线程呢?

 答: 不是的,对于只标识async关键字的(指在方法内没有出现await关键字)的方法,调用线程会把该方法当成同步方法一样执行,所以然而会堵塞GUI线程,只有当async和await关键字同时出现,该方法才被转换为异步方法处理。 
 

问题二:“async”关键字会导致调用方法用线程池线程运行吗?


   答: 不会,被async关键字标识的方法不会影响方法是同步还是异步运行并完成,而是,它使方法可被分割成多个片段,其中一些片段可能异步运行,这样这个方法可能异步完成。这些片段界限就出现在方法内部显示使用”await”关键字的位置处。所以,如果在标记了”async”的方法中没有显示使用”await”,那么该方法只有一个片段,并且将以同步方式运行并完成。在await关键字出现的前面部分代码和后面部分代码都是同步执行的(即在调用线程上执行的,也就是GUI线程,所以不存在跨线程访问控件的问题),await关键处的代码片段是在线程池线程上执行。总结为——使用async和await关键字实现的异步方法,此时的异步方法被分成了多个代码片段去执行的,而不是像之前的异步编程模型(APM)和EAP那样,使用线程池线程去执行一整个方法。



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