[C#] 走進異步編程的世界 - 開始接觸 async/await

走進異步編程的世界 - 開始接觸 async/await

 

序

　　這是學習異步編程的入門篇。

　　涉及 C# 5.0 引入的 async/await，但在控制台輸出示例時經常會采用 C# 6.0 的 $"" 來拼接字符串，相當於string.Format() 方法。

 

目錄

• What's 異步？
• async/await 結構
• What’s 異步方法？

 

一、What's 異步？

     啟動程序時，系統會在內存中創建一個新的進程。 進程是構成運行程序資源的集合。

     在進程內部，有稱為 線程的內核對象，它代表的是 真正的執行程序。系統會在 Main 方法的第一行語句就開始線程的執行。

 

      線程：

     ①默認情況，一個進程只包含一個線程，從程序的開始到執行結束；

     ②線程可以派生自其它線程，所以一個進程可以包含不同狀態的多個線程，來執行程序的不同部分；

     ③一個進程中的多個線程，將共享該進程的資源；

     ④系統為處理器執行所規划的單元 是線程，而非進程。

 

     一般來說我們寫的控制台程序都只使用了一個線程，從第一條語句按順序執行到最后一條。但在很多的情況下，這種簡單的模型會在性能或用戶體驗上不好。

     例如：服務器要同時處理來自多個客戶端程序的請求，又要等待數據庫和其它設備的響應，這將嚴重影響性能。程序不應該將時間浪費在響應上，而要在等待的同時執行其它任務！

     現在我們開始進入異步編程。在異步程序中，代碼不需要按照編寫時的順序執行。這時我們需要用到 C# 5.0 引入的 async/await 來構建異步方法。

 

     我們先看一下不用異步的示例：

    class Program
    {
        //創建計時器
        private static readonly Stopwatch Watch = new Stopwatch();

        private static void Main(string[] args)
        {
            //啟動計時器
            Watch.Start();

            const string url1 = "http://www.cnblogs.com/";
            const string url2 = "http://www.cnblogs.com/liqingwen/";

            //兩次調用 CountCharacters 方法（下載某網站內容，並統計字符的個數）
            var result1 = CountCharacters(1, url1);
            var result2 = CountCharacters(2, url2);

            //三次調用 ExtraOperation 方法（主要是通過拼接字符串達到耗時操作）
            for (var i = 0; i < 3; i++)
            {
                ExtraOperation(i + 1);
            }

            //控制台輸出
            Console.WriteLine($"{url1} 的字符個數：{result1}");
            Console.WriteLine($"{url2} 的字符個數：{result2}");

            Console.Read();
        }

        /// <summary>
        /// 統計字符個數
        /// </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($"開始調用 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");

            var result = wc.DownloadString(address);
            Console.WriteLine($"調用完成 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");

            return result.Length;
        }

        /// <summary>
        /// 額外操作
        /// </summary>
        /// <param name="id"></param>
        private static void ExtraOperation(int id)
        {
            //這里是通過拼接字符串進行一些相對耗時的操作
            var s = "";

            for (var i = 0; i < 6000; i++)
            {
                s += i;
            }

            Console.WriteLine($"id = {id} 的 ExtraOperation 方法完成：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
        }
    }

     圖1-1 運行的效果圖，以毫秒（ms）為單位

 

　　【備注】一般來說，直接拼接字符串是一種比較耗性能的手段，如果對字符串拼接有性能要求的話應該使用 StringBuilder。

　　 【注意】每次運行的結果可能不同。不管哪次調試，絕大部分時間都浪費前兩次調用（CountCharacters 方法），即在等待網站的響應上。

 

　　圖1-2 根據執行結果所畫的時間軸

 

     有人曾幻想着這樣提高性能的方法：在調用 A 方法時，不等它執行完，直接執行 B 方法，然后等 A 方法執行完成再處理。

     C# 的 async/await 就可以允許我們這么弄。

    class Program
    {
        //創建計時器
        private static readonly Stopwatch Watch = new Stopwatch();

        private static void Main(string[] args)
        {
            //啟動計時器
            Watch.Start();

            const string url1 = "http://www.cnblogs.com/";
            const string url2 = "http://www.cnblogs.com/liqingwen/";

            //兩次調用 CountCharactersAsync 方法（異步下載某網站內容，並統計字符的個數）
            Task<int> t1 = CountCharactersAsync(1, url1);
            Task<int> t2 = CountCharactersAsync(2, url2);

            //三次調用 ExtraOperation 方法（主要是通過拼接字符串達到耗時操作）
            for (var i = 0; i < 3; i++)
            {
                ExtraOperation(i + 1);
            }

            //控制台輸出
            Console.WriteLine($"{url1} 的字符個數：{t1.Result}");
            Console.WriteLine($"{url2} 的字符個數：{t2.Result}");

            Console.Read();
        }

        /// <summary>
        /// 統計字符個數
        /// </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($"開始調用 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");

            var result = await wc.DownloadStringTaskAsync(address);
            Console.WriteLine($"調用完成 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");

            return result.Length;
        }

        /// <summary>
        /// 額外操作
        /// </summary>
        /// <param name="id"></param>
        private static void ExtraOperation(int id)
        {
            //這里是通過拼接字符串進行一些相對耗時的操作
            var s = "";

            for (var i = 0; i < 6000; i++)
            {
                s += i;
            }

            Console.WriteLine($"id = {id} 的 ExtraOperation 方法完成：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
        }
    }

 圖1-3 修改后的執行結果圖

圖1-4 根據加入異步后的執行結果畫的時間軸。

 

　　我們觀察時間軸發現，新版代碼比舊版快了不少（由於網絡波動的原因，很可能會出現耗時比之前長的情況）。這是由於 ExtraOperation 方法的數次調用是在 CountCharactersAsync 方法調用時等待響應的過程中進行的。 所有的工作都是在主線程中完成的，沒有創建新的線程。

 

　　【改動分析】只改了幾個細節的地方，直接展開代碼的話可能看不出來，改動如下：

 　　

 圖1-5

　　圖1-6

 

　　①從 Main 方法執行到 CountCharactersAsync(1, url1) 方法時，該方法會立即返回，然后才會調用它內部的方法開始下載內容。該方法返回的是一個 Task<int> 類型的占位符對象，表示計划進行的工作。這個占位符最終會返回 int 類型的值。

　　②這樣就可以不必等 CountCharactersAsync(1, url1) 方法執行完成就可以繼續進行下一步操作。到執行 CountCharactersAsync(2, url2)  方法時，跟 ① 一樣返回 Task<int> 對象。

　　③然后，Main 方法繼續執行三次 ExtraOperation 方法，同時兩次 CountCharactersAsync 方法依然在持續工作 。

　　④t1.Result 和 t2.Result 是指從 CountCharactersAsync 方法調用的 Task<int> 對象取結果，如果還沒有結果的話，將阻塞，直有結果返回為止。

 

二、async/await 結構

     先解析一下專業名詞：

     同步方法：一個程序調用某個方法，等到其執行 完成之后才進行下一步操作。這也是 默認的形式。

     異步方法：一個程序調用某個方法，在處理 完成之前就返回該方法。通過 async/await 我們就可以實現這種類型的方法。

 

     async/await 結構可分成三部分：

     （1） 調用方法：該方法調用異步方法，然后在異步方法執行其任務的時候繼續執行；

     （2） 異步方法：該方法異步執行工作，然后立刻返回到調用方法；

     （3） await 表達式：用於異步方法內部，指出需要異步執行的任務。一個異步方法可以包含多個 await 表達式（不存在 await 表達式的話 IDE 會發出警告）。

 

　　現在我們來分析一下示例。

　　圖2-1

 

 三、What’s 異步方法

      異步方法：在執行完成前立即返回調用方法，在調用方法繼續執行的過程中完成任務。

     語法分析：

     （1） 關鍵字：方法頭使用 async 修飾。

     （2） 要求：包含 N（N>0） 個 await 表達式（不存在 await 表達式的話 IDE 會發出警告），表示需要異步執行的任務。

     （3） 返回類型：只能返回 3 種類型（void、Task 和 Task<T>）。Task 和 Task<T> 標識返回的對象會在將來完成工作，表示調用方法和異步方法可以繼續執行。

     （4） 參數：數量不限，但 不能使用 out 和 ref 關鍵字。

     （5） 命名約定：方法后綴名應以 Async 結尾。

     （6） 其它：匿名方法和 Lambda 表達式也可以作為異步對象；async 是一個 上下文關鍵字；關鍵字 async 必須在返回類型前。

 

圖3-1 異步方法的簡單結構圖

 

小結

　　1.解析了進程和線程的概念

　　2.異步的簡單用法

　　3.async/await 結構體

　　4.異步方法語法結構

 

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　　下篇：《走進異步編程的世界 - 剖析異步方法（上）》《走進異步編程的世界 - 剖析異步方法（下）》

　　后篇：《走進異步編程的世界 - 在 GUI 中執行異步操作》

 

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本文首聯： http://www.cnblogs.com/liqingwen/p/5831951.html

【參考】《Illustrated C# 2012》