C#異步編程由淺入深(三)細說Awaiter


  上一篇末尾提到了Awaiter這個類型,上一篇說了,能await的對象,必須包含GetAwaiter()方法,不清楚的朋友可以看上篇文章。那么,Awaiter到底有什么特別之處呢?
  首先,從上篇文章我們知道,一個Awaiter必須實現INotifyCompletion接口,這個接口定義如下:

namespace System.Runtime.CompilerServices
{
    /// <summary>
    /// Represents an operation that will schedule continuations when the operation completes.
    /// </summary>
    public interface INotifyCompletion
    {
        /// <summary>Schedules the continuation action to be invoked when the instance completes.</summary>
        /// <param name="continuation">The action to invoke when the operation completes.</param>
        /// <exception cref="System.ArgumentNullException">The <paramref name="continuation"/> argument is null (Nothing in Visual Basic).</exception>
        void OnCompleted(Action continuation);
    }
}

  除此之外還必須包含IsCompleted屬性和包含GetResult()方法。
  注意OnCompleted的參數是一個Action委托,並且不出意外的話,委托里面總會有一個地方調用一個MoveNext()方法,它推動狀態機到達下一個狀態,然后執行下一個狀態需要執行的代碼。
  那么,知道這個有什么用呢?第一,它是你充分了解async/await這套機制的基礎,包括與之相關的同步上下文、執行上下文、死鎖問題等,第二,它可以實現一些特殊的功能。
  從上一篇我們知道,OnCompleted中的contination的主要目的是推動狀態機的執行,也就是推動異步方法中await后面部分的代碼執行。從這里看出,continuation的執行是受我們控制的,因此我們可以直接執行它,或是等待某個條件成熟然后執行它,我們可以把它放到線程池執行,也可以單獨起一個線程執行。譬如,我們可以讓await后面部分的代碼直接在線程池上執行。

public static async Task AwaiterTest()
{
    Console.WriteLine($"是否是線程池線程?{Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread}");
    await default (SkipToThreadPoolAwaiter);
    Console.WriteLine($"是否是線程池線程?{Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread}");
}

static void Main(string[] args)
{
    _ = AwaiterTest();
    Console.ReadLine();
}

public struct SkipToThreadPoolAwaiter : INotifyCompletion
{
    public bool IsCompleted => false;
    public void GetResult() 
    {
        Console.WriteLine("調用GetResult以獲取結果");
    }
    public void OnCompleted(Action continuation)
    {
        Console.WriteLine("調用OnCompleted,把Await后面部分要執行的代碼傳遞過來(傳遞MoveNext,以推動狀態機流轉)");
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(state =>
        {
            Console.WriteLine("開始執行Await后面部分的代碼");
            continuation();
            Console.WriteLine("后面部分的代碼執行完畢");
        });
        Console.WriteLine("返回調用線程");
    }

    public SkipToThreadPoolAwaiter GetAwaiter()
    {
        Console.WriteLine("獲得Awaiter");
        return this;
    }
}

  這是一個控制台程序,輸出結果如下。

是否是線程池線程?False
獲得Awaiter
調用OnCompleted,把Await后面部分要執行的代碼傳遞過來(傳遞MoveNext,以推動狀態機流轉)
返回調用線程
開始執行Await后面部分的代碼
調用GetResult以獲取結果
是否是線程池線程?True
后面部分的代碼執行完畢

  特別注意一下,第五步說明可能有點疑惑,怎么第六步不是打印是否是線程池線程?原因是部分awaiter是有返回值的,在執行await后面部分的代碼時,會首先調用GetResult()以獲取結果。這對編譯器改造異步方法來說是一個固定的模式(上篇文章沒有體現這一步)。
  把Awaiter改成有返回值嘗試。

public static async Task AwaiterTest()
{
    Console.WriteLine($"是否是線程池線程?{Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread}");
    var res = await default (SkipToThreadPoolAwaiter);
    Console.WriteLine($"結果是{res}");
    Console.WriteLine($"是否是線程池線程?{Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread}");
}

static void Main(string[] args)
{
    _ = AwaiterTest();
    Console.ReadLine();
}

public struct SkipToThreadPoolAwaiter : INotifyCompletion
{
    public bool IsCompleted => false;
    public int GetResult() 
    {
        Console.WriteLine("調用GetResult以獲取結果");
        return 1;
    }
    public void OnCompleted(Action continuation)
    {
        Console.WriteLine("調用OnCompleted,把Await后面部分要執行的代碼傳遞過來(傳遞MoveNext,以推動狀態機流轉)");
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(state =>
        {
            Console.WriteLine("開始執行Await后面部分的代碼");
            continuation();
            Console.WriteLine("后面部分的代碼執行完畢");
        });
        Console.WriteLine("返回調用線程");
    }

    public SkipToThreadPoolAwaiter GetAwaiter()
    {
        Console.WriteLine("獲得Awaiter");
        return this;
    }
}

  輸出如下

是否是線程池線程?False
獲得Awaiter
調用OnCompleted,把Await后面部分要執行的代碼傳遞過來(傳遞MoveNext,以推動狀態機流轉)
返回調用線程
開始執行Await后面部分的代碼
調用GetResult以獲取結果
結果是1
是否是線程池線程?True
后面部分的代碼執行完畢

  對照前面的文章來看,相信你應該有所得,能解決你部分的疑惑。前面說到,我們可以控制continuation的執行,那如果當前線程有同步上下文(SychronizationContext),我們是不是可以放到同步上下文中執行?TaskAwaiter是會這么做的,如果你不想它使用同步上下文,你可以在Task實例上調用ConfigureAwait(false),它表面后面部分的代碼將不會使用同步上下文執行。
  另外說一下Task.Yield()這個Awaiter,他的行為是捕捉同步上下文,如果有,則會放到同步上下文中執行,如果沒有,則會放到線程池中執行。在窗體程序中,有時候你打開一個模態對話框,會導致主窗體部分的動畫沒有反應,在模態對話框關閉之后,才會反應。原因是模態對話框阻塞了主窗體的消息循環,也就是阻塞了主線程,如果想讓動畫先完成,然后再打開模態對話框,則可以在打開模態對話框之前,Await Task.Yield(),這也對應了它的意思,讓渡之意。
  后面文章還會說明同步上下文具體是什么、異步代碼中使用同步代碼會導致死鎖的本質原因、如何實現類似Task的類,並且怎么與Async/await這套機制搭配使用等知識。
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