C#异步原理详情

2024-04-02 19:55

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用async关键字和await表达式表达的异步操作在C#5便发布了，其使用简单，让开发者能够用同步的方式来书写异步代码，真的很棒。当然，编译器在后面也做了不少工作--一个异步方法本质上是被编译器转换为一个桩方法和一个状态机。随着C#版本的不断更新，可能编译器转换后的代码有所变化，但本质的东西应该不会变太多。这篇笔记来源于C# in depth（第四版），记录一些关键的地方，便于自己记忆，希望对你也有所帮助。

文章结论主要以下五点：

（1）使用builder作为异步基础架构，async方法会被转换成桩方法和状态机。
（2）状态机会追踪builder、方法参数、局部变量、awaiter以及续延中需要恢复执行的位置。
（3）编译器会创建一些代码，旨在在方法恢复时回到方法内部。
（4）INotifyCompletion和ICriticalNotifyCompletion接口可用于控制执行上下文的贯穿。
（5）builder方法由编译器负责调用。

下面我们就上面的5点展开说明。

一、关于第一点的说明

我们编写的async方法会被编译器编译为一个桩方法和一个状态机。

桩方法的签名和async方法的签名一致。在桩方法的内部，会首先new一个状态机，然后初始化这个状态机，初始化的过程主要包含

①状态机的状态字段（用于记录await表达式完成后的恢复执行处）、

②builder（AsyncTaskMethodBuilder）的初始化、

③捕获async方法参数后提升为字段的值。状态机初始化好之后，就要调用状态机的builder字段（一般情况下是AsyncTaskMethodBuilder）的Start方法，之后返回builder字段的Task属性。在这个过程中要注意状态机和builder都是一个值类型，所以在builder上执行的Start参数有ref修饰符，表示按引用传递，原因是在await方法回调后值类型的状态能够保存。

至于async方法中的执行逻辑，则全部被转移到了状态机的MoveNext方法中。

桩方法和状态机之间的联系就是通过builder来建立的。

二、关于第二点的说明

状态机会保存builder的一个字段，async方法的参数也会被提升为状态机的字段，如果在async方法的await表达式之后需要访问async方法中的局部变量，也需要将该局部变量保存到状态机中。状态机还保存了awaiter字段，一般情况下，不同类型的await表达式只保存一个就行。至于await之后续延中需要恢复执行的位置由一个state的字段来表示，当state字段的值为-1时表示为执行或正在执行，大于0时表示暂定，-2表示已经结束，结束表示正常完成或有异常。

三、关于第三点的说明

状态机中创建了大量的样板代码来“翻译”async方法中的代码，一般我们通过反编译工具可以看到大量的switch、goto之类的语句。


//MoveNext方法的样板代码
void IAsyncStateMachine. MoveNext() {
    try 
       { 
          switch (this. state)
         { 
            default: goto MethodStart; 
            case 0: goto Label0A; 
            case 1: goto Label1A; 
            case 2: goto Label2A; <------ case 的数量与await表达式数量相等
          }

          MethodStart: <------ 第一个await表达式之前的代码 
                                          <------ 设置第一个awaiter 
          Label0A: <------ 从续延中恢复执行的代码 
          Label0B: <------ 快速路径和慢速路径汇合之处 
                        <------ 剩余代码，包括更多标签以及awaiter等 
         } 
          catch (Exception e) //(本行及以下5行) 通过builder填充所有异常信息 
         { 
            this.state = -2; 
            builder.SetException(e);
            return; 
          } 
          this.state = -2; //(本行及以下1行)通过builder填充方法完成的信息 
          builder.SetResult(); 
}

四、关于第四点的说明

ICriticalNotifyCompletion可以在基础框架配合下实现执行上下文（回调）的安全访问，INotifyCompletion需要通过ExecutionContext类来配合完成（ExecutionContext的Capture和Run）。这两个接口对应builder的AwaitOnCompleted<TAwaiter,TStateMachine>(ref TAwaiterawaiter,ref TStateMachinestateMachine)方法和AwaitUnsafeOnCompleted<TAwaiter,TStateMachine>(ref TAwaiterawaiter,ref TStateMachinestateMachine)方法，也会被后者进行调用。（builder具体要使用哪一个方法要看Task实现了哪一个接口）