C#中async await异步关键字用法和异步的底层原理

news2025/4/19 5:58:53

C#异步编程

一、异步编程基础

异步编程是啥玩意儿
- 就是让程序在干等着某些耗时操作（比如等网络响应、读写文件啥的）的时候，能把线程腾出来干别的活儿，这样程序就能更灵敏、更高效啦。
- 跟同步编程不一样，同步编程就是老老实实等着操作完成才继续往下走，线程就一直被占着，多浪费啊。
异步编程的好处
- 响应快：比如在做UI界面的时候，用了异步编程，界面就不会卡啦，用户体验贼棒。
- 省资源：不用让线程一直干等着，资源利用率就上去了。
- 能扛更多活儿：面对一大堆并发操作的时候，异步编程能轻松搞定，扩展性杠杠滴。

二、异步方法的工作原理

异步方法咋被编译的
- 你写个async修饰的方法，编译器就把它变成一个状态机啦。
- 状态机会根据await表达式把方法拆成好多个状态，就跟玩拼图一样。
状态机是咋干活的
- 状态机就是编译器生成的一个类，它得记着异步方法执行到哪儿了。
- 核心就是MoveNext方法，它就像导演一样，指挥着异步操作一步步往下走。
- 每碰到一个await，就切换一下状态。
await底层是咋实现的
- await就整出个等待器（awaiter），专门等着异步操作完成。
- 要是操作还没完，await就记下当前状态，等操作完了再继续往下走。

三、代码示例

用HttpClient干异步网络请求
- 弄个HttpClient对象，用来发HTTP请求。
- 用GetStringAsync方法，就能异步拿到指定URL的网页内容啦。
- 把拿到的内容打印出来，瞧一瞧成果。

using System;
using System.Net.Http;
using System.Threading.Tasks;

namespace asyncawait原理1
{
    class Program
    {
        static async Task Main(string[] args)
        {
            using (HttpClient httpClient = new HttpClient())
            {
                string html = await httpClient.GetStringAsync("https://www.baidu.com");
                Console.WriteLine(html);
            }
        }
    }
}

异步读写文件
- 用File.WriteAllTextAsync方法，能把文本异步写到指定路径的文件里。
- 用File.ReadAllTextAsync方法，就能把文件内容异步读出来。
- 把读到的内容打印出来，看看对不对。

using System;
using System.IO;
using System.Threading.Tasks;

namespace asyncawait原理1
{
    class Program
    {
        static async Task Main(string[] args)
        {
            string txt = "hello world";
            string filename = @"E:\temp\1.txt";
            await File.WriteAllTextAsync(filename, txt);
            Console.WriteLine("写入成功");


            string s = await File.ReadAllTextAsync(filename);
            Console.WriteLine("文件内容：" + s);
        }
    }
}

四、编译后的底层实现

用ILSpy反编译DLL文件
- ILSpy就是个反编译工具，能把DLL文件变回C#代码，方便咱们研究。
- 把DLL文件加载到ILSpy里，就能看到编译后的代码啦。

[CompilerGenerated]
private sealed class <>c__DisplayClass0_0 : IAsyncStateMachine
{
    public int <>1__state;
    public AsyncTaskMethodBuilder <>t__builder;
    public string[] args;
    private string <>s__1;
    private string <>s__3;
    private string <>s__6;
    private HttpClient <httpClient>__4;
    private string <html>__5;
    private string <txt>__2;
    private string <filename>__7;

    private void MoveNext()
    {
        int num = this.<>1__state;
        try
        {
            TaskAwaiter<string> awaiter;
            TaskAwaiter awaiter2;
            switch (num)
            {
                default:
                    this.<httpClient>__4 = new HttpClient();
                    goto case 0;
                case 0:
                    try
                    {
                        awaiter = this.<httpClient>__4.GetStringAsync("https://www.baidu.com").GetAwaiter();
                        if (!awaiter.IsCompleted)
                        {
                            num = this.<>1__state = 0;
                            this.<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);
                            return;
                        }
                    }
                    catch (Exception exception)
                    {
                        this.<>1__state = -2;
                        this.<>t__builder.SetException(exception);
                        return;
                    }
                    this.<html>__5 = awaiter.GetResult();
                    Console.WriteLine(this.<html>__5);
                    this.<txt>__2 = "hello yz";
                    this.<filename>__7 = @"E:\temp\1.txt";
                    awaiter2 = File.WriteAllTextAsync(this.<filename>__7, this.<txt>__2).GetAwaiter();
                    if (!awaiter2.IsCompleted)
                    {
                        num = this.<>1__state = 1;
                        this.<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter2, ref this);
                        return;
                    }
                    break;
                case 1:
                    awaiter2 = this.<>s__1;
                    this.<>s__1 = null;
                    num = this.<>1__state = -1;
                    break;
            }
            awaiter2.GetResult();
            Console.WriteLine("写入成功");
            this.<>s__3 = null;
            awaiter = File.ReadAllTextAsync(this.<filename>__7).GetAwaiter();
            if (!awaiter.IsCompleted)
            {
                num = this.<>1__state = 2;
                this.<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);
                return;
            }
            this.<>s__6 = awaiter.GetResult();
            Console.WriteLine("文件内容：" + this.<>s__6);
            this.<>s__6 = null;
            this.<>t__builder.SetResult();
        }
        catch (Exception exception)
        {
            this.<>1__state = -2;
            this.<>t__builder.SetException(exception);
            return;
        }
        this.<>1__state = -1;
    }


    void IAsyncStateMachine.MoveNext()
    {
        // This method is implemented by the compiler-generated code.
    }


    [DebuggerHidden]
    private void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine)
    {
        this.<>t__builder.SetStateMachine(stateMachine);
    }


    void IAsyncStateMachine.SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine)
    {
        this.SetStateMachine(stateMachine);
    }
}

看看编译后的状态机代码
- 分析状态机类的结构，看看都有啥变量、MoveNext方法长啥样。
- 瞧瞧awaiter咋用的，状态咋切换的。
理解MoveNext方法是干啥的
- MoveNext就是状态机的发动机，它决定了异步方法咋执行。
- 在这个方法里，会根据当前状态执行对应的代码，碰到await就暂停，安排好后续咋继续。

五、总结

异步方法编译过程回顾
- 再唠唠async方法咋被编译成状态机的，状态机又咋根据await拆分方法、驱动异步操作的。
await到底在干啥
- 说白了，await根本不是真的“等待”，而是靠状态机和等待器来实现的异步协作。
- 强调一下异步编程的好处，比如响应快、省资源、能扛更多活儿，还有啥场景适合用它。