async/await到底该怎么用？如何理解多线程与异步之间的关系？

前言

如标题所诉，本文主要是解决是什么，怎么用的问题，然后会说明为什么这么用。因为我发现很多萌新都会对之类的问题产生疑惑，包括我最初的我，网络上的博客大多知识零散，刚开始看相关博文的时候，就这样。然后博文也不一定正确，又变成这样，当然我的观点也不一定正确，所以，以免误导萌新，有疑问，欢迎提出！有错误，欢迎指正！

一、首先看几个问题

• 多线程程序比单线程程序效率高？
• 什么是IO密集型程序？计算密集型程序又是什么？
• IO密集型程序和计算密集型程序与多线程和单线程有什么关系？
• 同步、异步、阻塞、非阻塞又是啥？
• 多线程与异步到底是啥关系？

二、先了解操作系统的演变过程

在早期的计算机时代，那时候硬件宝贵，什么硬件资源都要精打细算，操作系统刚开始也非常简单，之后一步步发展，大概经过了以下阶段：

1.单道批处理系统（一次只能处理一个任务，任务排队，串行执行，无交互能力，系统资源利用率不高）

2.多道批处理系统（外存中有一个后备任务队列，一次取多个任务到内存，当任务处于IO时，会切换到其他任务，无交互能力，系统资源利用率较高）

3.分时操作系统（每个任务都能尽可能的得到调度，有交互能力，系统资源利用率比多道批处理系统略低，因为要花很多时间在调度任务上，例如Windows）

4.实时操作系统（每个任务都能实时调度，有交互能力）

下面简单的了解一下单道批处理系统和多道批处理系统。

单道批处理系统处理任务过程

可以看到在执行任务的过程中，有一部分时间被IO（比如等待用户输入，读取文件内容）占用了，而CPU无事可做，浪费系统资源，为什么IO不需要CPU

参与呢？因为有相应的IO设备，相当于是一个小型的计算机，在有了DMA（直接存储器）后，IO设备访问内存也不需要CPU参与了，大大减少了中断次数，

CPU基本上只要发出IO指令，通知IO设备工作，然后就可以做其他事情了，等待IO处理完，会发出一个中断，然后CPU接着处理未完成的任务。为了提高C

PU利用率，于是便有了多道批处理操作系统。

多道批处理系统处理任务过程

相比于单道批处理系统，可以看到，在完成T1、T2、T3任务过程中，实际只花了CPU10S，其中额外的调度时间花了1S，总共11S。CPU利用率大大提高，但是还是有一个致

命缺点——无法交互。只有在IO时或者任务已经完成的情况下，才会发生调度。这个对用户体验就非常不好了，只要其中一个程序产生死循环或者什么原因，就会导致后面

的任务无法调度，想要恢复执行，必须使用万能的“重启大法”，并且找BUG还不能实时调试，必须重启计算器再重新启动程序，这就很难受。所以分时操作系统就出

现了。

分时操作系统处理任务过程

在多道批处理系统过程中，是没有分时的这个概念的，它的唯一目的是提高CPU的利用率，不让CPU空转。但这个用户体验就非常的差了，为了提高用户

体验，换句话说就是为了让每个任务都能得到CPU的眷顾，CPU就发表了以下观点：

CPU:以前你们老是说我不照顾你们，现在我决定了，我给你们每个人固定的时间，然后轮流照顾你们，这样行不？（时间片轮转调度算法）

众任务：好好好！

……

过了许久之后，

任务A：我有急事！我有急事！呼叫呼叫！此时CPU还在服务其他任务，按照规则，任务A还要轮转999次才能到达A，于是任务A卒。

过了N久，CPU过来了，发现了这个情况，于是它又改变了规则，按照某种优先级算法，然后进行轮转，例如高优先级任务优先低优先级任务轮转等等。

这个时候，才很好的解决了用户体验差的问题。

拿上面的场景，对应现代操作系统。任务（或者说作业），可以抽象成线程。例如windows，一个基于线程优先级抢占式的分时操作系统。现在可以回答

如下几个问题的一部分。

什么是IO密集型程序？什么是计算密集型程序？

IO密集型就是指一个程序的执行时间中，IO操作占了绝大多数时间，比如Web服务器，涉及了大量IO操作，HTTP请求，数据库读取，模板渲染引擎

读取模板文件（通过缓存可以解决）等IO操作，实际要CPU参与计算的部分很少，反之就是计算密集型程序，例如视频编码输出，加密解密、科学计算等等。

多线程效率比单线程效率高？

不讨论多核或者多CPU的情况下，对于计算密集型程序来讲，单线程效率一般是最高的，因为它不需要进行线程调度，就不会产生调度开销，调度开销

包括调度算法的执行，线程上下文的切换（堆栈寄存器和相关寄存器以及程序计数器的还原）等等，你可能会问，不是还有其他线程吗？的确是有，但

一般来讲，大多数线程是处于挂起状态的，而挂起的线程是不会分到CPU时间片，就算有些许线程处于活动状态，但是基本上分配到的时间片很少（看下图），而

且由于活动线程数其实很少，所以调度开销也很小，所以单线程效率比较高，如果开多线程来执行这个计算密集型程序，情况就不一样了，因为是同等

优先级，所以会发生频繁的线程调度，产生额外开销，当计算任务很长时，这个就非常明显了，虽然对于整体时间来说不明显。

那如果是IO密集型呢？？？这就跟异步有关系了。

三、阻塞、非阻塞、同步、异步

这里的A和B的主体是不确定的，并且 需要注意，这里至少有两个角色

同步：A和B有顺序，A完成工作之后B才能继续工作。

异步：A和B无顺序，A和B可以同时工作

阻塞和非阻塞是有一定语境的，它是专门针对线程来说的，它指的是状态

阻塞：意思是指线程被挂起，不能做其他任务

非阻塞：意思是指线程未被挂起，处于就绪或运行状态，可以做其他任务

有常说的以下四种组合：

同步阻塞、同步非阻塞（不存在）、异步阻塞（不存在）、异步非阻塞

现在假设一个场景：

线程A在执行代码的过程中，其中执行到了一个ReadFile()函数，这个任务最后交由IO设备B完成，很明显，线程A可以继续执行其他代码，在IO设备B完成之后，线程A继续执行依赖于ReadFile()的代码块。很明显，他们之间是异步的，也就是CPU于IO设备之间是异步的，因为他们能同时工作。那么代码看起来就可能像下面这样

result = ReadFile();//首先发起异步请求，以便IO设备能尽早处理

flag = true;

if(result.IsComplied && flag){做依赖于读文件的操作()；flag = false;}

吃西瓜();

if(result.IsComplied && flag){做依赖于读文件的操作()；flag = false;}

打War3();

或者这样

result = ReadFile();//首先发起异步请求，以便IO设备能尽早处理

吃西瓜();

打War3();

while(!result.IsComplied);

做依赖于读文件的操作();

或者这样

ReadFile(callBack:做依赖于读文件的操作);//首先发起异步请求，以便IO设备能尽早处理

吃西瓜();

打War3();

可以看到：

在第一种模式下，写代码复杂丑陋；

在第二种模式下，代码相对于比较优雅，但可能需要轮询，忙等，浪费CPU时间。

第三种模式，好像非常好，但其实是回调层数不够深，也就是所谓的回调地狱，虽然有办法可以把嵌套式改成平坦式，例如then.then.then的形式，但是代码还是不够优雅，所以出现了async/await形式，也就是号称的用写同步代码的方式写异步代码，不理解的看下面就理解了。

为什么不够优雅？究其原因是因为它们之间是异步的，那有没有一种办法能让它们之间同步进行呢？只要IO设备没完成，线程A就不能执行代码，不能工作，待IO设备完成之后，线程继续执行代码，继续工作，那么代码看起来就像这样。

吃西瓜();

打War3();

result = ReadFileSync();

做依赖于读文件的操作();

那重点来了！！！怎么做到呢？阻塞。在执行到ReadFileSync()时，把线程阻塞。也就是说操作系统其实是用阻塞模拟同步，所以说同步代表着阻塞。也就是同步阻塞的由来。那么同步非阻塞呢？没有！按照同步定义，A完成工作之后，B才能继续工作，如果是非阻塞，那么就不叫同步了，因为A和B可以同时工作，所以非阻塞只能搭配异步。这个模式的缺点就是，会导致创建许多线程。
，在早期Web服务器中，针对每个请求，创建一个线程，请求结束之后，线程销毁，因为创建线程和销毁线程代价非常大，所以发明了线程池，虽然有了线程池，但如果线程执行了同步IO，那么还是会导致线程阻塞，从而依然会导致该线程不能及时回收利用，从而又会导致创建许多线程，所以我们要尽量写异步非阻塞代码，但是写异步非阻塞代码又不够优雅，怎么办呢？怎么办呢？怎么办呢？这时候主角async/await闪亮登场。

吃西瓜();

打War3();

result = await ReadFileAsync();

做依赖于读文件的操作();

看见没有！！！这个和同步版的是不是差不多？和同步版达到的效果是一样的，但不会导致线程被阻塞，可以让线程及时去处理其他任务。另外，由于CPU和IO设备是异步的，所以应尽早发起异步请求，正确的做法应该是下面这样的

result = ReadFileAsync();//首先发起异步请求，以便IO设备能尽早处理

吃西瓜();

打War3();

await result ;

做依赖于读文件的操作();

那么阻塞、非阻塞、同步、异步是啥的问题也解决了。

四、async/await怎么工作？

        在这里简述一下，在C#中，每个使用了await的异步方法，都会被编译器魔改成了一个状态机的实现，使用了n个await关键字，就会有n+1个状态，利用这个状态机，便可以实现异步函数的挂起和恢复（有没有感觉和线程很像？），以便异步任务完成之后，回到刚开始使用await的地方，然后继续执行。在具体一点点，每当一个线程执行await的地方，这个线程就会回到被调用的地方，如果被调用的地方也使用了await，然后继续上一步骤，最终会回到线程池，如果有其他任务就继续执行其他任务，否则会阻塞，这没关系，因为已经没事做了。等待某个时候，异步任务完成，触发状态机调用MoveNext()，然后回到调用这个await的地方，继续往下执行，需要注意的是，这时候执行线程不一定是刚开始调用await的线程了，这是由任务调度器决定的，在.NET中，默认的任务调度器使用了默认的线程池作为任务的消费者，也可以自定义任务调度器，让一个线程处理所有任务。

五、理解Task

在C#中，async/await是与Task协同工作的，而异步函数就是一个Task，Task与async/await配合可以被挂起和恢复，是不是有点线程的味道？它其实就是用户模式下的“线程”，也就是协程，线程需要调度，协程同样需要调度，不同的是，线程是抢占式的，被动的。协程需要主动让出执行权，也就是非抢占式的，通过await便可以让出执行权，所以协程可以充分利用线程资源，执行用户代码，Task便可以理解为一个协程，最后，Task最终是要由线程来执行的，可以是一个线程，也可以是多个线程，这个是由任务调度器决定的。由于默认的任务调度器使用的是线程池中的线程来执行，所以await前后执行线程很可能不一样。要想使用自定义的任务调度器，通过创建TaskFactory实例指定任务调度器，或者创建Task实例，并在Start(TaskSheduler t)传入指定的任务调度器，通过Task.Run()方法或者不传参的Start()实例方法默认都使用的是默认的任务调度器。

我写了一个单线程同步阻塞、多线程同步非阻塞、单线程异步非阻塞、多线程异步非阻塞的简单的Web服务器作为示例，并有大量注释。还有一个反编译异步方法的C#实现，和一个自定义的任务调度器，并有一个简单的发起并发Http请求的控制台程序，有兴趣的可以研究下，可以加深萌新对async/await的理解，最后还有开头的一些疑问没解决，理解这几个例子你就能知道答案了。

仓库地址：http://gitlab.fyfhk.cn/hekun3344/simplehttpserver

最后

觉得有收获的