C#異步原理詳情

Posted on by

前言：

用async關鍵字和await表達式表達的異步操作在C#5便發佈瞭，其使用簡單，讓開發者能夠用同步的方式來書寫異步代碼，真的很棒。當然，編譯器在後面也做瞭不少工作–一個異步方法本質上是被編譯器轉換為一個樁方法和一個狀態機。隨著C#版本的不斷更新，可能編譯器轉換後的代碼有所變化，但本質的東西應該不會變太多。這篇筆記來源於C# in depth（第四版），記錄一些關鍵的地方，便於自己記憶，希望對你也有所幫助。

文章結論主要以下五點：

  • （1）使用builder作為異步基礎架構，async方法會被轉換成樁方法和狀態機。
  • （2）狀態機會追蹤builder、方法參數、局部變量、awaiter以及續延中需要恢復執行的位置。
  • （3）編譯器會創建一些代碼，旨在在方法恢復時回到方法內部。
  • （4）INotifyCompletion和ICriticalNotifyCompletion接口可用於控制執行上下文的貫穿。
  • （5）builder方法由編譯器負責調用。

下面我們就上面的5點展開說明。

一、關於第一點的說明

我們編寫的async方法會被編譯器編譯為一個樁方法和一個狀態機。

樁方法的簽名和async方法的簽名一致。在樁方法的內部，會首先new一個狀態機，然後初始化這個狀態機，初始化的過程主要包含

①狀態機的狀態字段（用於記錄await表達式完成後的恢復執行處）、

②builder（AsyncTaskMethodBuilder）的初始化、

③捕獲async方法參數後提升為字段的值。狀態機初始化好之後，就要調用狀態機的builder字段（一般情況下是AsyncTaskMethodBuilder）的Start方法，之後返回builder字段的Task屬性。在這個過程中要註意狀態機和builder都是一個值類型，所以在builder上執行的Start參數有ref修飾符，表示按引用傳遞，原因是在await方法回調後值類型的狀態能夠保存。

至於async方法中的執行邏輯，則全部被轉移到瞭狀態機的MoveNext方法中。

樁方法和狀態機之間的聯系就是通過builder來建立的。

二、關於第二點的說明

狀態機會保存builder的一個字段，async方法的參數也會被提升為狀態機的字段，如果在async方法的await表達式之後需要訪問async方法中的局部變量，也需要將該局部變量保存到狀態機中。狀態機還保存瞭awaiter字段，一般情況下，不同類型的await表達式隻保存一個就行。至於await之後續延中需要恢復執行的位置由一個state的字段來表示，當state字段的值為-1時表示為執行或正在執行，大於0時表示暫定，-2表示已經結束，結束表示正常完成或有異常。

三、關於第三點的說明

狀態機中創建瞭大量的樣板代碼來“翻譯”async方法中的代碼，一般我們通過反編譯工具可以看到大量的switch、goto之類的語句。

//MoveNext方法的樣板代碼
void IAsyncStateMachine. MoveNext() {
    try 
       { 
          switch (this. state)
         { 
            default: goto MethodStart; 
            case 0: goto Label0A; 
            case 1: goto Label1A; 
            case 2: goto Label2A; <------ case 的數量與await表達式數量相等
          }

          MethodStart: <------ 第一個await表達式之前的代碼 
                                          <------ 設置第一個awaiter 
          Label0A: <------ 從續延中恢復執行的代碼 
          Label0B: <------ 快速路徑和慢速路徑匯合之處 
                        <------ 剩餘代碼，包括更多標簽以及awaiter等 
         } 
          catch (Exception e) //(本行及以下5行) 通過builder填充所有異常信息 
         { 
            this.state = -2; 
            builder.SetException(e);
            return; 
          } 
          this.state = -2; //(本行及以下1行)通過builder填充方法完成的信息 
          builder.SetResult(); 
}

四、關於第四點的說明

ICriticalNotifyCompletion可以在基礎框架配合下實現執行上下文（回調）的安全訪問，INotifyCompletion需要通過ExecutionContext類來配合完成（ExecutionContext的Capture和Run）。這兩個接口對應builder的AwaitOnCompleted<TAwaiter,TStateMachine>(ref TAwaiterawaiter,ref TStateMachinestateMachine)方法和AwaitUnsafeOnCompleted<TAwaiter,TStateMachine>(ref TAwaiterawaiter,ref TStateMachinestateMachine)方法，也會被後者進行調用。（builder具體要使用哪一個方法要看Task實現瞭哪一個接口）

五、關於第五點的說明

builder和狀態機等等都是編譯器生成的，至於調用麼，當然得由編譯器負責調用瞭。

到此這篇關於C#異步原理詳情的文章就介紹到這瞭,更多相關C#異步原理內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

推薦閱讀：