C#中async await異步關鍵字用法和異步的底層原理

C#異步編程

一、異步編程基礎

異步編程是啥玩意兒
- 就是讓程序在干等著某些耗時操作（比如等網絡響應、讀寫文件啥的）的時候，能把線程騰出來干別的活兒，這樣程序就能更靈敏、更高效啦。
- 跟同步編程不一樣，同步編程就是老老實實等著操作完成才繼續往下走，線程就一直被占著，多浪費啊。
異步編程的好處
- 響應快：比如在做UI界面的時候，用了異步編程，界面就不會卡啦，用戶體驗賊棒。
- 省資源：不用讓線程一直干等著，資源利用率就上去了。
- 能扛更多活兒：面對一大堆并發操作的時候，異步編程能輕松搞定，擴展性杠杠滴。

二、異步方法的工作原理

異步方法咋被編譯的
- 你寫個async修飾的方法，編譯器就把它變成一個狀態機啦。
- 狀態機會根據await表達式把方法拆成好多個狀態，就跟玩拼圖一樣。
狀態機是咋干活的
- 狀態機就是編譯器生成的一個類，它得記著異步方法執行到哪兒了。
- 核心就是MoveNext方法，它就像導演一樣，指揮著異步操作一步步往下走。
- 每碰到一個await，就切換一下狀態。
await底層是咋實現的
- await就整出個等待器（awaiter），專門等著異步操作完成。
- 要是操作還沒完，await就記下當前狀態，等操作完了再繼續往下走。

三、代碼示例

用HttpClient干異步網絡請求
- 弄個HttpClient對象，用來發HTTP請求。
- 用GetStringAsync方法，就能異步拿到指定URL的網頁內容啦。
- 把拿到的內容打印出來，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);}}}
}

異步讀寫文件
- 用File.WriteAllTextAsync方法，能把文本異步寫到指定路徑的文件里。
- 用File.ReadAllTextAsync方法，就能把文件內容異步讀出來。
- 把讀到的內容打印出來，看看對不對。

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("寫入成功");string s = await File.ReadAllTextAsync(filename);Console.WriteLine("文件內容：" + s);}}
}

四、編譯后的底層實現

用ILSpy反編譯DLL文件
- ILSpy就是個反編譯工具，能把DLL文件變回C#代碼，方便咱們研究。
- 把DLL文件加載到ILSpy里，就能看到編譯后的代碼啦。

[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("寫入成功");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("文件內容：" + 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);}
}

看看編譯后的狀態機代碼
- 分析狀態機類的結構，看看都有啥變量、MoveNext方法長啥樣。
- 瞧瞧awaiter咋用的，狀態咋切換的。
理解MoveNext方法是干啥的
- MoveNext就是狀態機的發動機，它決定了異步方法咋執行。
- 在這個方法里，會根據當前狀態執行對應的代碼，碰到await就暫停，安排好后續咋繼續。

五、總結

異步方法編譯過程回顧
- 再嘮嘮async方法咋被編譯成狀態機的，狀態機又咋根據await拆分方法、驅動異步操作的。
await到底在干啥
- 說白了，await根本不是真的“等待”，而是靠狀態機和等待器來實現的異步協作。
- 強調一下異步編程的好處，比如響應快、省資源、能扛更多活兒，還有啥場景適合用它。

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