前言
如標題所訴，本文主要是解決是什么，怎么用的問題，然后會說明為什么這么用。因為我發現很多萌新都會對之類的問題產生疑惑，包括我最初的我，網絡上的博客大多知識零散，剛開始看相關博文的時候，就這樣
。然后博文也不一定正確，又變成這樣
，當然我的觀點也不一定正確，所以，以免誤導萌新，有疑問，歡迎提出！有錯誤，歡迎指正！
一、首先看幾個問題
- 多線程程序比單線程程序效率高？
- 什么是IO密集型程序？計算密集型程序又是什么？
- IO密集型程序和計算密集型程序與多線程和單線程有什么關系？
- 同步、異步、阻塞、非阻塞又是啥？
- 多線程與異步到底是啥關系？
二、先了解操作系統的演變過程
在早期的計算機時代，那時候硬件寶貴，什么硬件資源都要精打細算，操作系統剛開始也非常簡單，之后一步步發展，大概經過了以下階段：
1.單道批處理系統（一次只能處理一個任務，任務排隊，串行執行，無交互能力，系統資源利用率不高）
2.多道批處理系統（外存中有一個后備任務隊列，一次取多個任務到內存，當任務處於IO時，會切換到其他任務，無交互能力，系統資源利用率較高）
3.分時操作系統（每個任務都能盡可能的得到調度，有交互能力，系統資源利用率比多道批處理系統略低，因為要花很多時間在調度任務上，例如Windows）
4.實時操作系統（每個任務都能實時調度，有交互能力）
下面簡單的了解一下單道批處理系統和多道批處理系統。
單道批處理系統處理任務過程
可以看到在執行任務的過程中，有一部分時間被IO（比如等待用戶輸入，讀取文件內容）占用了，而CPU無事可做，浪費系統資源，為什么IO不需要CPU
參與呢？因為有相應的IO設備，相當於是一個小型的計算機，在有了DMA（直接存儲器）后，IO設備訪問內存也不需要CPU參與了，大大減少了中斷次數，
CPU基本上只要發出IO指令，通知IO設備工作，然后就可以做其他事情了，等待IO處理完，會發出一個中斷，然后CPU接着處理未完成的任務。為了提高C
PU利用率，於是便有了多道批處理操作系統。
多道批處理系統處理任務過程
相比於單道批處理系統，可以看到，在完成T1、T2、T3任務過程中，實際只花了CPU10S，其中額外的調度時間花了1S，總共11S。CPU利用率大大提高，但是還是有一個致
命缺點——無法交互。只有在IO時或者任務已經完成的情況下，才會發生調度。這個對用戶體驗就非常不好了，只要其中一個程序產生死循環或者什么原因，就會導致后面
的任務無法調度，想要恢復執行，必須使用萬能的“重啟大法”，並且找BUG還不能實時調試，必須重啟計算器再重新啟動程序，這就很難受。所以分時操作系統就出
現了。
分時操作系統處理任務過程
在多道批處理系統過程中，是沒有分時的這個概念的，它的唯一目的是提高CPU的利用率，不讓CPU空轉。但這個用戶體驗就非常的差了，為了提高用戶
體驗，換句話說就是為了讓每個任務都能得到CPU的眷顧，CPU就發表了以下觀點：
CPU:以前你們老是說我不照顧你們，現在我決定了，我給你們每個人固定的時間，然后輪流照顧你們，這樣行不？（時間片輪轉調度算法）
眾任務：好好好！
……
過了許久之后，
任務A：我有急事！我有急事！呼叫呼叫！此時CPU還在服務其他任務，按照規則，任務A還要輪轉999次才能到達A，於是任務A卒。
過了N久，CPU過來了，發現了這個情況，於是它又改變了規則，按照某種優先級算法，然后進行輪轉，例如高優先級任務優先低優先級任務輪轉等等。
這個時候，才很好的解決了用戶體驗差的問題。
拿上面的場景，對應現代操作系統。任務（或者說作業），可以抽象成線程。例如windows，一個基於線程優先級搶占式的分時操作系統。現在可以回答
如下幾個問題的一部分。
什么是IO密集型程序？什么是計算密集型程序？
IO密集型就是指一個程序的執行時間中，IO操作占了絕大多數時間，比如Web服務器，涉及了大量IO操作，HTTP請求，數據庫讀取，模板渲染引擎
讀取模板文件（通過緩存可以解決）等IO操作，實際要CPU參與計算的部分很少，反之就是計算密集型程序，例如視頻編碼輸出，加密解密、科學計算等等。
多線程效率比單線程效率高？
不討論多核或者多CPU的情況下，對於計算密集型程序來講，單線程效率一般是最高的，因為它不需要進行線程調度，就不會產生調度開銷，調度開銷
包括調度算法的執行，線程上下文的切換（堆棧寄存器和相關寄存器以及程序計數器的還原）等等，你可能會問，不是還有其他線程嗎？的確是有，但
一般來講，大多數線程是處於掛起狀態的，而掛起的線程是不會分到CPU時間片，就算有些許線程處於活動狀態，但是基本上分配到的時間片很少（看下圖），而
且由於活動線程數其實很少，所以調度開銷也很小，所以單線程效率比較高，如果開多線程來執行這個計算密集型程序，情況就不一樣了，因為是同等
優先級，所以會發生頻繁的線程調度，產生額外開銷，當計算任務很長時，這個就非常明顯了，雖然對於整體時間來說不明顯。
那如果是IO密集型呢？？？這就跟異步有關系了。
三、阻塞、非阻塞、同步、異步
這里的A和B的主體是不確定的，並且 需要注意，這里至少有兩個角色
同步：A和B有順序，A完成工作之后B才能繼續工作。
異步：A和B無順序，A和B可以同時工作
阻塞和非阻塞是有一定語境的，它是專門針對線程來說的，它指的是狀態
阻塞：意思是指線程被掛起，不能做其他任務
非阻塞：意思是指線程未被掛起，處於就緒或運行狀態，可以做其他任務
有常說的以下四種組合：
同步阻塞、同步非阻塞（不存在）、異步阻塞（不存在）、異步非阻塞
現在假設一個場景：
線程A在執行代碼的過程中，其中執行到了一個ReadFile()函數，這個任務最后交由IO設備B完成，很明顯，線程A可以繼續執行其他代碼，在IO設備B完成之后，線程A繼續執行依賴於ReadFile()的代碼塊。很明顯，他們之間是異步的，也就是CPU於IO設備之間是異步的，因為他們能同時工作。那么代碼看起來就可能像下面這樣
result = ReadFile();//首先發起異步請求，以便IO設備能盡早處理
flag = true;
if(result.IsComplied && flag){做依賴於讀文件的操作()；flag = false;}
吃西瓜();
if(result.IsComplied && flag){做依賴於讀文件的操作()；flag = false;}
打War3();
或者這樣
result = ReadFile();//首先發起異步請求，以便IO設備能盡早處理
吃西瓜();
打War3();
while(!result.IsComplied);
做依賴於讀文件的操作();
或者這樣
ReadFile(callBack:做依賴於讀文件的操作);//首先發起異步請求，以便IO設備能盡早處理
吃西瓜();
打War3();
可以看到：
在第一種模式下，寫代碼復雜丑陋；
在第二種模式下，代碼相對於比較優雅，但可能需要輪詢，忙等，浪費CPU時間。
第三種模式，好像非常好，但其實是回調層數不夠深，也就是所謂的回調地獄，雖然有辦法可以把嵌套式改成平坦式，例如then.then.then的形式，但是代碼還是不夠優雅，所以出現了async/await形式，也就是號稱的用寫同步代碼的方式寫異步代碼，不理解的看下面就理解了。
為什么不夠優雅？究其原因是因為它們之間是異步的，那有沒有一種辦法能讓它們之間同步進行呢？只要IO設備沒完成，線程A就不能執行代碼，不能工作，待IO設備完成之后，線程繼續執行代碼，繼續工作，那么代碼看起來就像這樣。
吃西瓜();
打War3();
result = ReadFileSync();
做依賴於讀文件的操作();
那重點來了！！！怎么做到呢？阻塞。在執行到ReadFileSync()時，把線程阻塞。也就是說操作系統其實是用阻塞模擬同步，所以說同步代表着阻塞。也就是同步阻塞的由來。那么同步非阻塞呢？沒有！按照同步定義，A完成工作之后，B才能繼續工作，如果是非阻塞，那么就不叫同步了，因為A和B可以同時工作，所以非阻塞只能搭配異步。這個模式的缺點就是，會導致創建許多線程。
，在早期Web服務器中，針對每個請求，創建一個線程，請求結束之后，線程銷毀，因為創建線程和銷毀線程代價非常大，所以發明了線程池，雖然有了線程池，但如果線程執行了同步IO，那么還是會導致線程阻塞，從而依然會導致該線程不能及時回收利用，從而又會導致創建許多線程，所以我們要盡量寫異步非阻塞代碼，但是寫異步非阻塞代碼又不夠優雅
，怎么辦呢？怎么辦呢？怎么辦呢？這時候主角async/await閃亮登場。
吃西瓜();
打War3();
result = await ReadFileAsync();
做依賴於讀文件的操作();
看見沒有！！！這個和同步版的是不是差不多？和同步版達到的效果是一樣的，但不會導致線程被阻塞，可以讓線程及時去處理其他任務。另外，由於CPU和IO設備是異步的，所以應盡早發起異步請求，正確的做法應該是下面這樣的
result = ReadFileAsync();//首先發起異步請求，以便IO設備能盡早處理
吃西瓜();
打War3();
await result ;
做依賴於讀文件的操作();
那么阻塞、非阻塞、同步、異步是啥的問題也解決了。
四、async/await怎么工作？
在這里簡述一下，在C#中，每個使用了await的異步方法，都會被編譯器魔改成了一個狀態機的實現，使用了n個await關鍵字，就會有n+1個狀態，利用這個狀態機，便可以實現異步函數的掛起和恢復（有沒有感覺和線程很像？），以便異步任務完成之后，回到剛開始使用await的地方，然后繼續執行。在具體一點點，每當一個線程執行await的地方，這個線程就會回到被調用的地方，如果被調用的地方也使用了await，然后繼續上一步驟，最終會回到線程池，如果有其他任務就繼續執行其他任務，否則會阻塞，這沒關系，因為已經沒事做了。等待某個時候，異步任務完成，觸發狀態機調用MoveNext()，然后回到調用這個await的地方，繼續往下執行，需要注意的是，這時候執行線程不一定是剛開始調用await的線程了，這是由任務調度器決定的，在.NET中，默認的任務調度器使用了默認的線程池作為任務的消費者，也可以自定義任務調度器，讓一個線程處理所有任務。
五、理解Task
在C#中，async/await是與Task協同工作的，而異步函數就是一個Task，Task與async/await配合可以被掛起和恢復，是不是有點線程的味道？它其實就是用戶模式下的“線程”，也就是協程，線程需要調度，協程同樣需要調度，不同的是，線程是搶占式的，被動的。協程需要主動讓出執行權，也就是非搶占式的，通過await便可以讓出執行權，所以協程可以充分利用線程資源，執行用戶代碼，Task便可以理解為一個協程，最后，Task最終是要由線程來執行的，可以是一個線程，也可以是多個線程，這個是由任務調度器決定的。由於默認的任務調度器使用的是線程池中的線程來執行，所以await前后執行線程很可能不一樣。要想使用自定義的任務調度器，通過創建TaskFactory實例指定任務調度器，或者創建Task實例，並在Start(TaskSheduler t)傳入指定的任務調度器，通過Task.Run()方法或者不傳參的Start()實例方法默認都使用的是默認的任務調度器。
我寫了一個單線程同步阻塞、多線程同步非阻塞、單線程異步非阻塞、多線程異步非阻塞的簡單的Web服務器作為示例，並有大量注釋。還有一個反編譯異步方法的C#實現，和一個自定義的任務調度器，並有一個簡單的發起並發Http請求的控制台程序，有興趣的可以研究下，可以加深萌新對async/await的理解，最后還有開頭的一些疑問沒解決，理解這幾個例子你就能知道答案了。
倉庫地址：http://gitlab.fyfhk.cn/hekun3344/simplehttpserver
最后
覺得有收獲的
