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windows C#-异步编程模型(上)

article 2024/11/23 3:53:07

通过使用异步编程，你可以避免性能瓶颈并增强应用程序的总体响应能力。但是，编写异步应用程序的传统技术可能比较复杂，使它们难以编写、调试和维护。

C# 支持简化的方法，即异步编程，它利用 .NET 运行时中的异步支持。编译器可执行开发人员曾进行的高难度工作，且应用程序保留了一个类似于同步代码的逻辑结构。因此，你只需做一小部分工作就可以获得异步编程的所有好处。

异步编程提升响应能力

异步对可能会被屏蔽的活动（如 Web 访问）至关重要。对 Web 资源的访问有时很慢或会延迟。如果此类活动在同步过程中被屏蔽，整个应用必须等待。在异步过程中，应用程序可继续执行不依赖 Web 资源的其他工作，直至潜在阻止任务完成。

下表显示了异步编程提高响应能力的典型区域。列出的 .NET 和 Windows 运行时 API 包含支持异步编程的方法。

由于所有与用户界面相关的活动通常共享一个线程，因此，异步对访问 UI 线程的应用程序来说尤为重要。如果任何进程在同步应用程序中受阻，则所有进程都将受阻。你的应用程序停止响应，因此，你可能在其等待过程中认为它已经失败。

使用异步方法时，应用程序将继续响应 UI。例如，你可以调整窗口的大小或最小化窗口；如果你不希望等待应用程序结束，则可以将其关闭。

当设计异步操作时，该基于异步的方法将自动传输的等效对象添加到可从中选择的选项列表中。开发人员只需要投入较少的工作量即可使你获取传统异步编程的所有优点。

异步方法易于编写

C# 中的 Async 和 Await 关键字是异步编程的核心。通过这两个关键字，可以使用 .NET Framework、.NET Core 或 Windows 运行时中的资源，轻松创建异步方法，几乎与创建同步方法一样轻松。使用 async 关键字定义的异步方法简称为“异步方法”。

下面的示例演示了一种异步方法。你应对代码中的几乎所有内容都很熟悉。

public async Task<int> GetUrlContentLengthAsync()
{
    using var client = new HttpClient();

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

    DoIndependentWork();

    string contents = await getStringTask;

    return contents.Length;
}

void DoIndependentWork()
{
    Console.WriteLine("Working...");
}

可以从前面的示例中了解几种做法。从方法签名开始。它包含 async 修饰符。返回类型为 Task<int>，方法名称以 Async 结尾。在方法的主体中，GetStringAsync 返回 Task<string>。这意味着在 await 任务时，将获得 string (contents)。在等待任务之前，可以通过 GetStringAsync 执行不依赖于 string 的工作。

密切注意 await 运算符。它会暂停 GetUrlContentLengthAsync：

在 getStringTask 完成之前，GetUrlContentLengthAsync 无法继续。
同时，控件返回至 GetUrlContentLengthAsync 的调用方。
当 getStringTask 完成时，控件将在此处继续。
然后，await 运算符会从 getStringTask 检索 string 结果。
return 语句指定整数结果。任何等待 GetUrlContentLengthAsync 的方法都会检索长度值。

如果 GetUrlContentLengthAsync 在调用 GetStringAsync 和等待其完成期间不能进行任何工作，则你可以通过在下面的单个语句中调用和等待来简化代码。

string contents = await client.GetStringAsync("https://learn.microsoft.com/dotnet");

以下特征总结了使上一个示例成为异步方法的原因：

方法签名包含 async 修饰符。
按照约定，异步方法的名称以“Async”后缀结尾。
返回类型为下列类型之一：如果你的方法有操作数为 TResult 类型的返回语句，则为 Task<TResult>；如果你的方法没有返回语句或具有没有操作数的返回语句，则为 Task；void：如果要编写异步事件处理程序；具有 GetAwaiter 方法的任何其他类型。
方法通常包含至少一个 await 表达式，该表达式标记一个点，在该点上，直到等待的异步操作完成方法才能继续。同时，将方法挂起，并且控件返回到方法的调用方。本主题的下一节将解释悬挂点发生的情况。

在异步方法中，可使用提供的关键字和类型来指示需要完成的操作，且编译器会完成其余操作，其中包括持续跟踪控件以挂起方法返回等待点时发生的情况。一些常规流程(例如，循环和异常处理)在传统异步代码中处理起来可能很困难。在异步方法中，元素的编写频率与同步解决方案相同且此问题得到解决。

异步方法的运行机制

异步编程中最需弄清的是控制流是如何从方法移动到方法的。下图可引导你完成此过程：

关系图中的数字对应于以下步骤，在调用方法调用异步方法时启动:

调用方法调用并等待 GetUrlContentLengthAsync 异步方法；
GetUrlContentLengthAsync 可创建 HttpClient 实例并调用 GetStringAsync 异步方法以下载网站内容作为字符串；
GetStringAsync 中发生了某种情况，该情况挂起了它的进程。可能必须等待网站下载或一些其他阻止活动。为避免阻止资源，GetStringAsync 会将控制权出让给其调用方 GetUrlContentLengthAsync；GetStringAsync 返回 Task<TResult>，其中 TResult 为字符串，并且 GetUrlContentLengthAsync 将任务分配给 getStringTask 变量。该任务表示调用 GetStringAsync 的正在进行的进程，其中承诺当工作完成时产生实际字符串值；
由于尚未等待 getStringTask，因此，GetUrlContentLengthAsync 可以继续执行不依赖于 GetStringAsync 得出的最终结果的其他工作。该任务由对同步方法 DoIndependentWork 的调用表示；
DoIndependentWork 是完成其工作并返回其调用方的同步方法；
GetUrlContentLengthAsync 已运行完毕，可以不受 getStringTask 的结果影响。接下来，GetUrlContentLengthAsync 需要计算并返回已下载的字符串的长度，但该方法只有在获得字符串的情况下才能计算该值；
因此，GetUrlContentLengthAsync 使用一个 await 运算符来挂起其进度，并把控制权交给调用 GetUrlContentLengthAsync 的方法。 GetUrlContentLengthAsync 将 Task<int> 返回给调用方。该任务表示对产生下载字符串长度的整数结果的一个承诺。如果 GetStringAsync(因此 getStringTask)在 GetUrlContentLengthAsync 等待前完成，则控制会保留在 GetUrlContentLengthAsync 中。如果异步调用过程 getStringTask 已完成，并且 GetUrlContentLengthAsync 不必等待最终结果，则挂起然后返回到 GetUrlContentLengthAsync 将造成成本浪费。在调用方法中，处理模式会继续。在等待结果前，调用方可以开展不依赖于 GetUrlContentLengthAsync 结果的其他工作，否则就需等待片刻。调用方法等待 GetUrlContentLengthAsync，而 GetUrlContentLengthAsync 等待 GetStringAsync；
GetStringAsync 完成并生成一个字符串结果。字符串结果不是通过按你预期的方式调用 GetStringAsync 所返回的。 (记住，该方法已返回步骤 3 中的一个任务)。相反，字符串结果存储在表示 getStringTask 方法完成的任务中。 await 运算符从 getStringTask 中检索结果。赋值语句将检索到的结果赋给 contents；
当 GetUrlContentLengthAsync 具有字符串结果时，该方法可以计算字符串长度。然后，GetUrlContentLengthAsync 工作也将完成，并且等待事件处理程序可继续使用。在此主题结尾处的完整示例中，可确认事件处理程序检索并打印长度结果的值。如果你不熟悉异步编程，请花 1 分钟时间考虑同步行为和异步行为之间的差异。当其工作完成时(第 5 步)会返回一个同步方法，但当其工作挂起时(第 3 步和第 6 步)，异步方法会返回一个任务值。在异步方法最终完成其工作时，任务会标记为已完成，而结果(如果有)将存储在任务中；