.NET Core多线程 (2) 异步 - 上

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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