这一个系列的文章主要来讲 C# 中的语言特性 async-await 在语言层面的本质,我们都知道 await 是编译器进行了一个 rewrite,然而这个 rewrite 并不是直接 rewrite 成其他没有原生支持 await 的语言的 lambda 回调的形式,而是整个对方法进行了重写,下面就让我们来从最简单的方法,一步一步剖析 await 糖的工作机制。

一个 async 方法,就是你在代码执行到一半的时候,告诉电脑:我要把函数返回,你先去干别的事情(比如 UI 操作),等我这边的事完成之后,再回复现场继续从刚才返回的地方执行。方法的执行是依靠状态机驱动的,一系列的 MoveNext 方法推动状态机的执行,编译器则会将方法分而治之,把 async 方法体拆分成许多部分,每一部分是一个状态机中的状态,放进 MoveNext 中

新建一个控制台工程,我们从最简单的 async 方法开始:FooAsync

编译器已经提示我这个 async 标识符没卵用了,没关系

然后我们再写一个方法来对照被编译器重写过的方法:FooAsync2

这还没完,一个异步方法中执行的各项操作,运算,中间暂停然后返回,最后 return 结果,是由状态机推动的,所以我们手动 rewrite 的 FooAsync2 方法中需要一个状态机,并且要实现系统的 IAsyncStateMachine 接口。

state machine 是一个 struct,默认情况下一个 async 方法不需要等待,所以我们不希望有一个在堆上的东西来增加我们的运行负担。

你可以看到这个接口要求两个方法,第二个我们之后再讲,你可能会奇怪为什么一个 IAsyncStateMachine 实例需要 SetStateMachine 另一个实例(后面会说,这其实是他自己),由于我们的 state machine 是一个 struct,所以当方法 await 的时候,整个栈就回退给其他方法来用了,所以你需要把这个 state machine 以及其他的参数转移到堆上,然后用这个方法来获得他自己,这个时候堆上的对象的运行时消耗才是值得的。而 MoveNext 就是之前我们说过的用来推动整个方法运行的方法。

方法里已经装了一个 state machine 的实例了,然后我们来看看谁要来驱动着方法一步一步向前走,当控制流回到方法内部的时候他需要来执行一些操作,尽管我们这里的方法什么都没干,我们还是要把所有的机构都弄好。我们需要一个 AsyncMethodBuilder,这个东西也已经在 System.Runtime.CompilerServices 里面提供了。

这个 method builder 放在了状态机内,因为方法可能返回而我们一直需要它,所以要借助 state machine 转移到栈上的同时把它一起转移了。AsyncVoidMethodBuilder 也是一个 struct,同样也是我们不希望堆上的东西增加额外的运行时负担。

method builder 是我们在控制流开始,await,返回的时候应该去使用的东西,这个东西应该在 MoveNext 函数中被使用,这里我们的方法什么都没干,所以 MoveNext 中只有一个状态的转移:开始->返回。返回通过 method builder 的 SetResult 方法完成,所有的 return 都会被 rewrite 成 SetResult。

最后方法怎么开始呢?我们看看 method builder 有没有 Start 方法,哈!有。Start 方法需要 state machine 的引用,为什么需要,因为 method builder 需要在方法一步步进行的时候调用 ModeNext,为什么要引用,这也说的通,方法的状态只需要一份,使用引用,避免拷贝,以及 state machine 有可能在栈上(现在这样)也有可能在堆上,需要用引用来指向它。

现在的 FooAsync2 就是 async 方法 FooAsync 被 rewrite 之后的样子。我们在 Main 里调用 FooAsync2,单步执行

从调用堆栈看,Start 方法调用了 MoveNext,然后我们的 MoveNext 方法就像 FooAsync 一样,什么都没干,直接 SetResult 然后返回,然后 Start 返回,FooAsync2 返回,Main 返回,一个没卵用的异步方法完成了。

这样就是一个最简单的异步方法被 rewrite 之后的样子,这一篇就到这里,下一篇讲讲稍微复杂点的方法。

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