去年换工作时系统复习了一下.NET Core多线程相关专题，学习了一线码农老哥的《.NET 5多线程编程实战》课程，我将复习的知识进行了总结形成本专题。
本篇，我们来复习一下异步的相关知识点，预计阅读时间10分钟。
理解异步的本质
（1）异步是什么？
举个例子，在高峰期去餐厅吃饭，会先排队拿个小票，然后去逛一下玩玩，等到排到时会被通知就餐，这时再回到餐厅就可以点餐了。
同步示意图：
异步示意图：
（2）同步有什么弊端
时间片切换成本高！
CPU密集型操作：编码解码、图形计算、正则表达式等
IO密集型操作：和硬件打交道，和DB打交道等
线程太多的烦恼/代价：
新开Thread是有开销的（时间、空间）
GC回收会冻结所有线程寻找引用根（gcroot）
程序有可能会卡死！
Thread会和网络驱动程序打交道（外网络地址）
ThreadPool中的WorkQueue任务（4000+）得不到处理
异步：async/await
（3）C#如何使用异步？
ThreadPool线程池分类：
workThread：
适用于CPU密集型，在WinDbg中标签为 ThreadPool Worker
IOThread：
适用于IO密集型，在WinDbg中标签为 ThreadPool Completion Port
HttpClient案例演示：在下面的代码中GetContentLengthAsync异步方法中的线程就用的IOThread，可以通过WinDbg验证。
namespace ConsoleApp3
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
GetContentLengthAsync("http://cnblogs.com"); Console.WriteLine($"主线程:{Environment.CurrentManagedThreadId}, 准备退出！");
Console.ReadLine();
} static async Task<int> GetContentLengthAsync(string url)
{
using (HttpClient client = new HttpClient())
{
var content = await client.GetStringAsync(url); Console.WriteLine($"当前线程:{Environment.CurrentManagedThreadId}, content={content.Length}"); return content.Length;
}
}
}
}
异步的底层：IO完成端口
（1）理解IO完成端口
异步的核心：callback机制
IO完成端口：这是一个Windows内核对象，我们常称之为IOCP。IOCP是一个异步I/O的Windows API，它可以高效地将I/O事件通知给应用程序，类似于Linux中的Epoll。因此，.NET Framework是基于IOCP来实现的异步，而.NET Core则增加了基于epoll来实现异步，因为它要支持跨平台而不只是Windows。SafeHandle：文件句柄、网络句柄...
核心步骤：
初始化时将SafeHandle、ThreadPool与IO完成端口进行绑定（比如：FileStream在Init时）
（主线程）创建IO完成端口：CreateIoCompletionPort(IntPtr FileHandle, IntPtr ExistingCompletionPort, IntPtr CompletionKey, uint NumberOfConcurrentThreads)
（主线程）将消息塞到IO完成端口的Queue队列：PostQueuedCompletionStatus
（子线程）从IO完成端口的Queue队列中获取消息：GetQueuedCompletionStatu
（2）实现一个简单的IO完成端口
自定义一个IOCP类，代码如下：
public class IOCP
{
[DllImport("kernel32.dll", CharSet = CharSet.Auto, SetLastError = true)]
public static extern SafeFileHandle CreateIoCompletionPort(IntPtr FileHandle, IntPtr ExistingCompletionPort, IntPtr CompletionKey, uint NumberOfConcurrentThreads); [DllImport("kernel32.dll", CharSet = CharSet.Auto, SetLastError = true)]
public static extern bool GetQueuedCompletionStatus(SafeFileHandle CompletionPort,
out uint lpNumberOfBytesTransferred, out IntPtr lpCompletionKey,
out IntPtr lpOverlapped, uint dwMilliseconds); [DllImport("Kernel32", CharSet = CharSet.Auto)]
public static extern bool PostQueuedCompletionStatus(SafeFileHandle CompletionPort, uint dwNumberOfBytesTransferred, IntPtr dwCompletionKey, IntPtr lpOverlapped);
}
调用端代码如下：
// 1. 创建IO完成端口
var safehandle = IOCP.CreateIoCompletionPort(new IntPtr(-1), IntPtr.Zero, IntPtr.Zero, 1); var thread = new Thread(() =>
{
Console.WriteLine($"工作线程: {Environment.CurrentManagedThreadId} 开始获取数据...");
while (true)
{
// 3. get数据
IOCP.GetQueuedCompletionStatus(safehandle, out var ipn, out var ipc, out var lop, int.MaxValue); var receiveData = Convert.ToString(GCHandle.FromIntPtr(lop).Target); Console.WriteLine($"工作线程: {Environment.CurrentManagedThreadId} 获取数据成功！{receiveData}"); Thread.Sleep(1000);
}
}); thread.Start(); // 2. post 数据
var data = (IntPtr)GCHandle.Alloc("hello world"); IOCP.PostQueuedCompletionStatus(safehandle, 4096, IntPtr.Zero, data); Console.WriteLine($"主线程: {Environment.CurrentManagedThreadId} 塞入数据成功！"); Console.ReadLine();
加深对异步的理解
我们都知道 ContinueWith 主要起 延续任务的作用，写起来十分繁琐！.NET 4.5推出了语法糖async/await大大简化了异步编程的工作量。
下面展示使用ContinueWith 和 async/await 的两种方式的代码量：
/// <summary>
/// continutewith 的版本
/// </summary>
/// <returns></returns>
static Task<List<string>> GetContentListContinute()
{
var list = new List<string>(); SqlConnection connection = new SqlConnection("Server=LocalHost; Persist Security Info=False;Integrated Security=SSPI;Database= PostDB;"); var task = connection.OpenAsync().ContinueWith(t =>
{
SqlCommand command = new SqlCommand("select PostContent from Post", connection); return command.ExecuteReaderAsync().ContinueWith(t2 =>
{
var reader = t2.Result; return GetContent(reader, list).ContinueWith(t3 =>
{
return list;
});
}).Unwrap(); }).Unwrap(); return task;
} static Task<bool> GetContent(SqlDataReader reader, List<string> list)
{
return reader.ReadAsync().ContinueWith(t =>
{
var hasRow = t.Result; if (hasRow)
{
list.Add(reader.GetString(0)); //读取reader的值
GetContent(reader, list);
} return false;
});
} /// <summary>
/// await+async 的异步写法
/// </summary>
/// <returns></returns>
static async Task<List<string>> GetContentListAsync()
{
List<string> list = new List<string>(); SqlConnection connection = new SqlConnection("Server=LocalHost; Persist Security Info=False;Integrated Security=SSPI;Database= PostDB;"); await connection.OpenAsync(); SqlCommand command = new SqlCommand("select PostContent from Post", connection); var reader = command.ExecuteReader(); while (await reader.ReadAsync())
{
list.Add(reader.GetString(0));
} return list;
}
async/await语法糖的底层原理
从编译后的IL代码来看，async/await只是编译器提供的语法糖，它并不是一种新的异步模型，而只是一种简化异步代码编写的方式。
从反编译后的代码来看，对于async/await的方法编译器会新生成一个实现了IAsyncStateMachine接口的状态机类。
（1）IAsyncStateMachine接口定义：
public interface IAsyncStateMachine
{
void MoveNext();
void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine);
}
（2）IAsyncStateMachine实现类的基本执行步骤
step1.初始化一个异步状态机machine
step2.初始化一个AsyncTaskMethodBuilder的实例，赋予machine.builder
step3.设置异步状态机的状态为-1，将类传入到状态机内部
step4.调用machine.builder的start方法
step5.返回machine.builder.Task
（3）.NET提供异步方式的总结：
.NET 4.5开始提供的async/await，本质是.NET 4.0的Task + 状态机
.NET 4.0开始提供的Task，本质是.NET 3.5提供的Thread+ThreadPool+等待/取消等API操作
小结
本篇，我们复习了异步相关的基础知识，但由于内容太多，因此将其拆分为了两篇推文。下一篇，我们继续异步相关知识。
参考资料
一线码农，腾讯课堂《.NET 5多线程编程实战》
不明作者，《Task调度与await》
作者：周旭龙
出处：https://edisonchou.cnblogs.com
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