.net core 非阻塞的异步编程 及 线程调度过程

本文主要分为三个部分：

1、语法格式

2、线程调度情况

3、编程注意事项

4、练一练

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异步编程（Task Asynchronous Programming，TAP），一种编程模式（Task-based Asynchronous Pattern）。

TAP 是 .NET 中推荐的异步编程模式，基于 Task 和 Task<TResult> 类型，用于表示异步。

异步编程一般应对两种场景，一是 I/O 绑定，当需要网络连接（连接数据库或读写到文件系统等）等耗时长的任务；二是 CPU 绑定，需要耗时长的计算。

1、简单的语法格式

.net 一直在为开发人员简化和标准化异步的写法，从 .net 4.5 开始就已经支持使用 aysnc 和 await 的关键字。

异步的语法格式如下：

private async Task<TResult> DoSomeStuffAsync(..)

{

..

await ..

..

}

l  关键词 async 本身不具备什么意义，只是装饰，当方法冠以 async 关键词，方法体内允许使用 await

l  await 是标记需要等待的地方，但其本质并非阻塞线程。

l  “非阻止操作”：指当运行到 await 时，会把当前线程返回到上一级调用者继续执行，如果没有上一级调用者，则该线程当场释放。

	非阻止操作	阻止操作	备注
获取任务返回	await task	task.Wait / task.Result	非阻塞：线程遇到 await 时会返回上一层调用者继续执行，如果没有上一级调用者，则释放该线程； 阻塞：线程在等待期间不能执行其他任务，也不释放线程，硬等
任一任务完成	await Task.WhenAny	Task.WaitAny
所有任务完成	await Task.WhenAll	Task.WaitAll
等待一段时间	await Task.Delay	Thread.Sleep

l  异步方法返回的值总是 Task 的实例，可以是 Task 类型或 Task<TResult>，其中 TResult 是执行的方法的返回类型

l  如果直接拿异步方法的结果，形如 var obj = GetSomethingAsync()，这个 obj 是一个 Task 对象，其中 obj.AsyncStatus，obj.Result 可见执行情况

l  await + 执行异步方法，形如 await GetSomethingAsync() 会得到 TResult 实例

l  直接使用 task.Result 得到的任务结果其状态是未知的，应该使用 await task，保证任务是 Completed 的

l  一般地，异步方法的名字需要添加后缀 Async，以便于写代码的时候区分开同步方法和异步方法

l  等待异步任务的执行过程中，如果其中发生了错误，该异步任务的外层 try catch 会捕捉到，它也是一种任务结果

2、异步运行机制，线程调度

观察以下代码，思考一下控制台会输出什么？

public static async Task Main(string[] args)
{
    logMessage("Main <<----");
    var task = GetUrlContentLengthAsync();
    logMessage("Main ---->>");
    await task;
    logMessage("ALL COMPLETED");
}

static async Task<int> GetUrlContentLengthAsync()
{
    logMessage("GetUrlContentLengthAsync start ");

    using var client = new HttpClient();
    Task<string> getStringTask = client.GetStringAsync("https://learn.microsoft.com/dotnet");

    // Do some independent work..

    var contents = await getStringTask;

    logMessage("GetUrlContentLengthAsync end ");
    return contents.Length;
}

static void logMessage(string msg)
{
    Console.WriteLine($"{DateTime.Now.ToString("MM-dd HH:mm:ss.fff")} [{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] {msg}");
}

打印结果：

11-18 18:34:34.563 [1] Main <<----
11-18 18:34:34.632 [1] GetUrlContentLengthAsync start
11-18 18:34:34.810 [1] Main ---->>
11-18 18:34:37.283 [7] GetUrlContentLengthAsync end
11-18 18:34:37.286 [7] ALL COMPLETED

先分析一下 GetUrlContentLengthAsync 这个异步方法，简单归纳会存在以下步骤：

1. httpClient.GetStringAsync 发起 HTTP 请求，并立即返回一个未完成的任务。
2. await 关键字会暂停 GetStringAsync 方法的执行，并将控制权返回给调用方。
3. 任务调度器通过操作系统的通知机制来监听 HTTP 请求的响应。
4. 操作系统在后台监控 I/O 操作的状态，并在操作完成时通知应用程序。
5. 任务调度器随后选择一个可用的线程来继续执行 异步方法的剩余部分（await 之后）。

线程运行过程如下：

* HTTP 请求是一个 I/O 操作，操作系统会通过 I/O 完成端口（IOCP）来处理这些操作。

* IOCP 是一种高效的机制，用于处理异步 I/O 操作。它允许操作系统在 I/O 操作完成时通知应用程序。

3、注意事项

l  如果调用了 异步方法，一定要 await 任务执行结果

反面示例：

public static async Task Main(string[] args)
{
    logMessage("Main <<----");

    // fault example: if do not wait the result then we will do not know what happened on it
    GetSomeStuff();

    logMessage("Main ---->>");
} 

这个异步任务已经在执行，但是却没有后续处理，不知道是成功或是失败，又或者一直在执行没有办法停止，这是危险的。

l  避免使用 task.Result，应该使用 await 

直接使用 task.Result 的方式拿结果是线程阻塞的方式，也即如果任务还没完成，那么这个线程将什么都不干，只等待任务完成。

使用 await，而避免使用 xxTask.Result
阻塞线程：如果任务尚未完成，访问 Result 会阻塞当前线程，直到任务完成。这会导致性能问题，特别是在 UI 线程中使用时，会导致界面卡顿。
死锁风险：在某些情况下，特别是在同步上下文（如 UI 线程）中，访问 Result 可能会导致死锁（任务等待当前线程释放，而当前线程又在等待任务完成）。
异常处理：直接访问 Result 可能会忽略任务中的异常。使用 await 可以更好地处理异常。

l  是否线程安全

异步编程的机制，允许到正在处理一个请求时，同时存在多个线程在处理操作，如果在对同一个对象做写入操作，这是危险的。

所以并行时的任务最好是没有关系的。

如果使用锁，需要考虑是否会导致死锁的问题。

l  异步编程可能会增加代码复杂度，慎重取舍

异步编程并不一定带来性能提升，毕竟上下文切换也是有开销的，对于简单的任务可能一条线做完的方式更合适。

4、练一练

以下代码有什么问题？

public async Task<ResultResponse> ValidateReceiptAsync(List<Guid> customerIds, ReceiptRequest request, CancellationToken cancellationToken)
{
    var tokenTask = _medicalCheckServiceHelper.GetServiceToken(cancellationToken);

    var medicalProvidersTask = _medicalProviderRepo.GetMedicalProvidersNames();

    var customersTask = _customerService.GetByIdsAsync(customerIds);

    var checkResults = await Task.WhenAll(request.UuidList.Select(uuid => _medicalCheckServiceHelper.GetResultAsync(uuid, tokenTask.Result, cancellationToken)));

    return await ConsolidateReceiptsResult(medicalProvidersTask.Result, checkResults, await customersTask);
} 

思考一下

• 1. tokenTask.Result 在任务完成之前访问会导致阻塞，应该在 await tokenTask 之后再访问。

• 2. 确认哪些可以并行处理，注意线程安全

这里有 4 个任务，分别是 获取 token（假作 taskA）、获取治疗厂商（taskB）、获取用户信息（taskC）、获取检查结果（taskD）
其中，taskD 依赖于 taskA ；现在需要确定 taskA、taskB、taskC 之间的依赖关系。

• • a. 假设真实场景如下：
    • i. taskA 取自于配置中心，也即它会走 HTTP 请求
    • ii. taskD 是一个第三方接口，也即一个 HTTP 请求
    • iii. taskB 和 taskC 取自同一个数据库，并且它们共用了一个数据库连接的上下文

那么可能的修改是这样的：

public async Task<ResultResponse> ValidateReceiptAsync(List<string> customerIds, ReceiptRequest request, CancellationToken cancellationToken)
{
    var tokenTask = _medicalCheckServiceHelper.GetServiceToken(cancellationToken);
    var medicalProvidersTask = _medicalProviderRepo.GetMedicalProvidersNames();

    var token = await tokenTask;
    var checkResults = await Task.WhenAll(request.UuidList.Select(uuid => _medicalCheckServiceHelper.GetResultAsync(uuid, token, cancellationToken)));

    var medicalProviders = await medicalProvidersTask;
    var customers = await _customerService.GetByIdsAsync(customerIds);

    return await ConsolidateReceiptsResult(medicalProviders, checkResults, customers);
}

• • b. 假设真实场景如下：
    • i. taskA 取自于配置中心，也即它会走 HTTP 请求
    • ii. taskD 是一个第三方接口，也即一个 HTTP 请求
    • iii. taskB 和 taskC 取自不同数据库或不同的 HTTP 请求，它们相互独立

那么可能的修改是这样的：

public async Task<ResultResponse> ValidateReceiptAsync(List<string> customerIds, ReceiptRequest request, CancellationToken cancellationToken)
{
    var tokenTask = _medicalCheckServiceHelper.GetServiceToken(cancellationToken);
    var medicalProvidersTask = _medicalProviderRepo.GetMedicalProvidersNames();
    var customersTask = _customerService.GetByIdsAsync(customerIds);

    var token = await tokenTask;
    var checkResultsTask = Task.WhenAll(request.UuidList.Select(uuid => _medicalCheckServiceHelper.GetResultAsync(uuid, token, cancellationToken)));

    var medicalProviders = await medicalProvidersTask;
    var customers = await customersTask;
    var checkResults = await checkResultsTask;
    return await ConsolidateReceiptsResult(medicalProviders, checkResults, customers);
}

但其实并不尽完善，因为这种写法的可读性并没有那么好，看起来更追求资源优化。
所以说引入了 异步编程 的话，代码是会变复杂的，每写一步都需要慎重考虑。

Reference:

[1] The Task Asynchronous Programming (TAP) model with async and await" - C# | Microsoft Learn

[2] Asynchronous programming scenarios - C# | Microsoft Learn

[3] Asynchronous programming - C# | Microsoft Learn