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1.为什么需要异步IO操作
关于异步操作，想必读者已知道异步IO操作，笔者在这里展示FileStream类读取本地文件的过程。首先展示FileStream类同步读取IO的流程图。
上面的执行流程中，在第4步Windows将IRP数据包传送给恰当的设备驱动的IRP队列（每个设备驱动程序都维护着自己的IRP队列，其中包含了机器上运行的所有进程发出的I/O请求）。在IRP数据包到达时，设备驱动程序将IRP信息传给物理硬件设备上的安装电路板，然后由硬件驱动设备执行请求的I/O操作，也就是第5个步骤。当硬件驱动设备执行I/O操作期间，发出了I/O请求的线程将无事可做，所以Windows将线程变成睡眠线程，防止它浪费CPU的时间（步骤6）。这当然好，虽然线程不浪费时间，但其仍然浪费空间（内存），这当然就不好了。当硬件设备执行完I/0操作。然后Windows会唤醒你的线程，把它调度给一个CPU，使其从内核模式返回至用户模式，然后返回至托管代码（步骤7、8、9）。上面的步骤看起来很不错，但是依旧存在两个问题：1.请求的数量越来越多，创建的线程就越来越多，那么被阻塞的线程就会越来越多，这样会更浪费内存。2.用执行结果来响应请求，如果请求的数量非常多，那么解锁的阻塞线程也就很多，而且机器上的线程数都会远远大于CPU数，所以在阻塞线程被集中解锁期间CPU很有可能会频繁地发生上下文切换，损害性能。下面展示Windows如何异步读取I/O流，仍然使用FileStream来构建对象，但是需要传递FileOptions.Asynchronous标志，告诉Windows希望文件的读/写以异步的方式进行。
在使用FileOptions.Asynchronous创建FileStream对象后，就应该使用ReadAsync(...)来读取文件，而不是Read(...)。在ReadAsync内部分配一个Task<Int32>对象来代表用于完成的读取操作的代码。然后ReadAsync调用Win32ReadFile函数（步骤1），ReadFile分配IRP数据包（步骤2），然后将其传递给Windows内核（步骤3）。Windows内核把IRP数据包添加到IRP队列中（步骤4）。此时线程不会再阻塞，而是可以直接运行返回至你的代码。所以线程能够立即从ReadAsync调用中返回（步骤5、6、7）。在调用ReadAsync后返回一个Task<Int32>对象，可以在该对象上调用ContinueWith来登记任务完成时执行的回调方法，然后在回调方法中处理数据。当硬件设备处理好IRP后（步骤a）。硬件设备会把IRP放到CLR的线程池中队列中（步骤b）。将来某个时候，一个线程池会提取完成的IRP并执行任务的代码，最终要么设置异常（如果发生异常），要么返回结果（步骤c）。在知道这些之后，就知道使用异步I/O可以尽量的减少同步I/O访问存在的那些问题。 2.C#的异步函数
之前的一篇文章中，我们讨论了《计算限制的异步操作》，其中绝大部分代码都是使用Task来完成的。C#还为我们提供了另一种异步糖语法—异步函数，使用异步函数时可以以顺序的步骤写异步的代码，感觉像是在进行同步操作。Task和异步函数的功能类似，但他们之前还是有本质的差别。
2.1 async和await的使用
async和await是C#异步函数编程的核心，async和await是从.NET Framwork 4.5提供的新关键字，被async标记的方法表明该方法应该以异步的方式运行；await操作符用于标记异步函数执行完成后状态机恢复的位置（注意，这里不是等待），同时指示包含该await操作符的方法以异步的方式运行。如果async中不包含await，那么async会以同步的方式运行。
下面展示异步访问网络的步骤：static void Main(string[] args) { Task task= AccessTheWebAsync(); task.ContinueWith((t) => { Console.WriteLine(t.Result); }); Console.ReadLine(); } static async Task AccessTheWebAsync() { //需要引入System.Net.Http程序集 HttpClient httpClient = new HttpClient(); Task getStringTask = httpClient.GetStringAsync("https://www.baidu.com/"); // await操作符挂起AccessTheWebAsync方法 // AccessTheWebAsync不能够继续执行，直到getStringTask任务完成。 // AccessTheWebAsync可以从这里直接异步返回给AccessTheWebAsync的调用者。 // 当getStringTask任务完成后，状态机可以直接从这里恢复，并且await操作符会返回任务的Result值。 String urlContents = await getStringTask; //返回长度 return urlContents.Length; } 使用async和await有以下几点需要注意：
1.方法名应该以Async结尾（比如：AccessTheWebAsync）。2.方法应该包含有async修饰符。3.方法的返回类型应该是Task<TResult>或Task或void或其他类型（从C#7.0，.NET Core开始，其他类型的返回值应该提供GetAwaiter方法）。4.方法中至少应该包含一个await表达式。2.2 Async和Task的区别
Async和Task是非常相似的，但是都可以用于异步执行。但是他们之间也是有本质区别的，相信读者看完文章开篇的“为什么需要进行异步I/O操作”的过程已经有所了解了。接下来，笔者想再延伸一下，之所以要使用异步函数来进行异步I/O操作，而不推荐使用Task重新创建一个线程池线程来访问异步I/O操作，就是因为阻塞。
当异步函数的线程遇到阻塞时，并有线程被真正阻塞在哪里，当阻塞被完成后，再从线程池中唤醒一个线程用来执行之后的任务。当线程池遇到阻塞时，那么那个线程是被真正阻塞了的。
例如：
static async void Test1() { Console.WriteLine("thread id before await:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); HttpClient hc = new HttpClient(); HttpResponseMessage hrm = await hc.GetAsync("http://www.baidu.com"); Console.WriteLine(hrm.StatusCode); Console.WriteLine("thread id after await:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); } 通过这个异步函数，你一般都会看到await前后是被不同的线程执行的。
static void Test2(){ Task task = new Task(() => { Console.WriteLine("thread id:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); //做一些阻塞动作 }); task.ContinueWith((tk) => { Console.WriteLine("thread id:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); }); task.Start(); } 通过这个，你会看到两个Thread id是相同的。
最后总结一下，
async和Task非常相似，都可以用于执行异步操作。但是异步函数（async）遇到阻塞后，其线程会被回收，用于执行线程池中的其他任务，当阻塞完成后，其会从线程池中唤醒另一个线程（这个线程和之前的线程也有可能是同一个线程，几率很小），用于执行await后面的动作。Task创建的额外线程遇到阻塞时，其创建的线程是会被阻塞的，直到阻塞完成后，线程才能继续执行。
3.异步函数的状态机
3.1 异步函数如何转化为状态机
通常情况下，观察编译器给我们编译好的代码，可以帮助我们更好的理解我们的代码。像async和await操作符，编译器其实是把这些操作符转化成了一种状态机的机制。将含有async和await的代码编译为IL代码，再将IL代码反编译为C#代码，就可以得到状态机。
比如：class Type { } class Program { private static async Task Method1() { /*执行一些异步操作，最后返回一个Type类型的数据*/ HttpClient httpClient = new HttpClient(); String result= await httpClient.GetStringAsync("http://www.baidu.com"); return new Type(); } private static async Task MyMethodAsync() { Type result1 = await Method1(); return result1.ToString(); } static void Main(string[] args) { } } 编译为IL代码后，再利用ILSPY把IL代码反编译为C#代码,在返编译IL代码的时候，需要注意，不能勾选“decompile async methods(async/await)”
然后就可以看到async和await转化成的状态机
通过查看反编译后的C#代码，C#中的异步函数的运行过程，可以用下图进行简单的概括：
但任务未完成时，isCompleted返回false，所以会在onCompleted登记任务完成时会调用的action动作，action动作执行完成后，会再一次调用MoveNext，然后isCompleted就返回true,此时就可以通过GetResult获得结果。 3.2 如何扩展异步函数
在扩展性方面，能用Task对象包装一个即将完成的操作，就可以使用await操作符来等待该操作。
下面是一个TaskLogger类，可用它显示未完成的异步操作。static class TaskLogger { public enum TaskLogLevel { None,Pending} public static TaskLogLevel LogLevel { get; set; } public sealed class TaskLogEntry { public Task Task { get; internal set; } public String Tag { get; internal set; } public DateTime LogTime { get; internal set; } public String CallerMemberName { get; internal set; } public String CallerFilePath { get; internal set; } public Int32 CallerLineNumber { get; internal set; } public override string ToString() { return String.Format("LogTime={0},Tag={1},Member={2},File={3}({4})", LogTime,Tag??"(none)",CallerMemberName,CallerFilePath,CallerLineNumber); } } private static readonly ConcurrentDictionary s_log = new ConcurrentDictionary (); public static IEnumerable GetLogEntries() { return s_log.Values;} public static Task Log (this Task task, String tag = null, [CallerMemberName] String callerMemberName=null, [CallerFilePath] String callerFilePath=null, [CallerLineNumber] Int32 callerLineNumber=-1) { return (Task )Log(task, tag, callerMemberName, callerFilePath, callerLineNumber); } public static Task Log(this Task task, String tag = null, [CallerMemberName] String callerMemberName = null, [CallerFilePath] String callerFilePath = null, [CallerLineNumber] Int32 callerLineNumber = -1) { if (LogLevel == TaskLogLevel.None) { return task; } var logEntry = new TaskLogEntry { Task=task, LogTime=DateTime.Now, Tag=tag, CallerMemberName=callerMemberName, CallerFilePath=callerFilePath, CallerLineNumber=callerLineNumber }; s_log[task] = logEntry; //附加一个异步任务，当一个任务执行完成后，应该将其从清单中移除 task.ContinueWith(t => { TaskLogEntry entry; s_log.TryRemove(t,out entry); },TaskContinuationOptions.ExecuteSynchronously); return task; } } Callation类，用于取消正在执行的异步操作
static class Cancellation { public struct Void { } public static async Task WithCancellation(this Task originalTask, CancellationToken ct) { //创建在Cancellation被取消时完成的一个Task var cancelTask = new TaskCompletionSource (); using (ct.Register(t => ((TaskCompletionSource )t).TrySetResult(new Void()), cancelTask)) { //创建在原始Task或CancellationToken Task完成时都完成的一个Task Task any = await Task.WhenAny(originalTask,cancelTask.Task); //任务Task因为CancellationToken而完成，就抛出OperationCanceledException if (any == cancelTask.Task) ct.ThrowIfCancellationRequested(); }; //等待原始任务；若任务失败，它将抛出一个异常 await originalTask; } } 最后，展示如何使用
class Program { static void Main(string[] args) { Go(); Console.ReadLine(); } public static async Task Go() {#if DEBUG //使用TaskLogger会影响内存和性能，所以只在调试生成中启用它 TaskLogger.LogLevel=TaskLogger.TaskLogLevel.Pending;#endif //初始化3个任务；为了测试TaskLogger，我们显示控制持续时间 var tasks = new List { Task.Delay(2000).Log("2s op"), Task.Delay(5000).Log("5s op"), Task .Delay(8000).Log("8s op"), }; try { //等待全部任务，但在3秒后取消；只有一个任务能够按时完成 await Task.WhenAll(tasks).WithCancellation(new CancellationTokenSource(3000).Token); } catch (OperationCanceledException) { //查询logger哪些任务尚未完成，按照从等待时间从最长到最短的顺序排序 foreach (var op in TaskLogger.GetLogEntries().OrderBy(tle => tle.LogTime)) { Console.WriteLine(op); } } } } 我的得到如下的输出结果：
LogTime=2018/11/7 1:30:41,Tag=8s op,Member=Go,File=e:\MyLearn\ConsoleApplication1\Program.cs(28)LogTime=2018/11/7 1:30:41,Tag=5s op,Member=Go,File=e:\MyLearn\ConsoleApplication1\Program.cs(27)
public sealed class EventAwaiter: INotifyCompletion { private ConcurrentQueue m_events = new ConcurrentQueue (); private Action m_continuation; //状态机调用GetAwaiter获得Awaiter,这里返回自己 public EventAwaiter GetAwaiter() { return this; } //告诉状态机是否发生了任何事件 public Boolean IsCompleted { get { return m_events.Count > 0; } } //状态机告诉我们以后要调用什么方法，continuation中包含有恢复状态机的操作 public void OnCompleted(Action continuation) { Volatile.Write(ref m_continuation,continuation); } //状态机查询结果，这是awaiter操作符的结果 public TEventArgs GetResult() { TEventArgs e; m_events.TryDequeue(out e); return e; } public void EventRaised(Object sender, TEventArgs eventArgs) { m_events.Enqueue(eventArgs); //如果有一个等待运行的延续任务，该线程会运行它 Action continuation = Interlocked.Exchange(ref m_continuation, null); if (continuation != null) { continuation();//恢复状态机 } } }
在EventAwaiter类在事件发生的时候从await操作符返回。在本例中，一旦AppDomain中的任何线程抛出异常，状态机就会继续。
private static async void ShowException() { var eventAwaiter = new EventAwaiter (); AppDomain.CurrentDomain.FirstChanceException += eventAwaiter.EventRaised; while (true) { Console.WriteLine((await eventAwaiter).Exception.GetType()); } } 笔者自定义的EventAwaiter<TEventArgs>提供了GetAwaiter()、isCompleted()、onCompleted(Action continuation)、GetResult()几个重要的方法，其实这几个方法恰好对应了第3.1中“异步函数如何转化为状态机”中状态机需要操作的各个方法，在3.1中笔者给出一张状态机执行的流程图，这里就不再贴那张图片了。
笔者接下来结合这个案例，说一说本例的流程：
a.当执行到await eventAwaiter时，会去调用eventAwaiter的GetAwaiter()方法，然后得到Awaiter对象。
b.查询Awaiter对象和IsCompleted()方法，判断当前Awaiter是否发生了事件。
c.若Awaiter还没有发生事件，就调用OnCompleted(Action)方法，并且传递一个Action委托给OnCompleted()方法，其中的Action委托里就包含了恢复状态机的逻辑。
d.此时还没有线程执行恢复状态机的代码，await eventWaiter 的线程将会被阻塞。
e.当结合本例的程序逻辑，当出现异常时EventRaised会被调用，然后在EventRaised中会恢复状态机，唤醒await eventWaiter阻塞的线程。
f.状态机然后会再次调用IsCompleted方法判断是否有事件，这时m_events 已经有一个事件了，所以IsCompleted会返回true。
g.状态机接着调用GetResult，并且将结果值赋值给await关键字的表达式。
最后演示这一切是如何工作的：
static void Main(string[] args) { ShowException(); for (int i = 0; i < 3; i++) { try { switch (i) { case 0: throw new InvalidCastException(); case 1: throw new InvalidOperationException(); case 2: throw new ArgumentException(); } } catch (Exception) { } } Console.ReadLine(); } 4.FCL中的异步IO操作
FCL中的异步函数非常容易辨认，因为命名规范要求异步函数必须加上Async的后缀。在FCL中，支持I/O操作的许多类型都提供了XxxAsync方法
例如：a.System.IO.Stream的所有派生类都提供了ReadAsync，WriteAsync，FlushAsync和CopyToAsync方法b.System.IO.TextReader的所有派生类都提供了ReadAsync，ReadLineAsync，ReadToEndAsync和ReadBlockAsync方法。System.IO.TextWriter的派生类提供了WriteAsync,WriteLineAsync和FlushAsync.c.System.Net.Http.HttpClient 类提供了GetAsync,GetStreamAsync,GetByteArrayAsync,PostAsync,PutAsync,DeleteAsync和其他许多方法。d.System.Net.WebRequest的所派生类(包括FileWebRequest,FtpWebRequest和HttpWebRequest)都提供了GetRequestStreamAsync和GetResponseAsync方法。e.System.Data.SqlClient.SqlCommand类提供了ExecuteDbDataReaderAsync,ExecuteNonQueryAsync,ExecuteReaderAsync,ExecuteScalarAsync和ExecuteXmlReaderAsync方法。f.生成Web服务代理工具（比如SvcUtil.exe）也生成了XxxAsync方法。这里笔者以System.Net.Http.HttpClient来举例：static async void Go() { HttpClient httpClient = new HttpClient(); Stream stm = await httpClient.GetStreamAsync("http://www.baidu.com"); StreamReader sr = new StreamReader(stm); String line= ""; while ((line = await sr.ReadLineAsync()) != null) { Console.WriteLine(line); } } static async void StartServer() { while (true) { //循环不停的接受来自客户端的链接 var pipe = new NamedPipeServerStream(c_pipeName,PipeDirection.InOut,-1,PipeTransmissionMode.Message,PipeOptions.Asynchronous|PipeOptions.WriteThrough); //异步的接受来自客户端的连接 //用TaskFactory的FromAsync将旧的异步编程模型转化为新的Task模型 //当没有客户端连接时，线程将会挂起，并且允许方法已异步的方式返回调用者（本例中未有返回） //当有客户端连接后，立即唤醒状态机，线程继续执行。 await Task.Factory.FromAsync(pipe.BeginWaitForConnection,pipe.EndWaitForConnection,null); //为客户端提供服务 //startServiceConnectionAsync 也是异步方法，所以能够立即返回 startServiceConnectionAsync(pipe); } } FCL没有提供任何的辅助方法将旧的、基于事件的编程模型转化为新的、基于Task的编程模型。所有只能使用硬编码的方式。例如下面演示了使用TaskCompletionSource包装使用了“基于事件的编程模型”的WebClient,以便在异步函数中等待它。
static async TaskAwaitWebClient(Uri uri) { //System.Net.WebClient var wc = new System.Net.WebClient(); //创建TaskCompletionSource及其基础Task对象 var tcs = new TaskCompletionSource (); //字符串下载完成后，WebClient对象引发DownloadStringCompleted事件 wc.DownloadStringCompleted += (s, e) => { if (e.Cancelled) tcs.SetCanceled(); else if (e.Error != null) tcs.SetException(e.Error); else tcs.SetResult(e.Result); }; //启动异步操作 wc.DownloadStringAsync(uri); //现在可以等待TaskCompletion String result = await tcs.Task; return result; }
4.1 FileStream类
创建FileStream对象时，可通过FileOptions.AsyncChronous标志指定以同步方式还是异步方式进行通信。如果不指定该标志，Windows将以同步方式执行所有文件操作。当然，仍然可以调用FileStream的ReadAsync方法，对于你的应用程序，表面上是异步执行，但FileStream类在内部用另一个线程模拟异步行为。这个额外的线程纯属是浪费。
如果创建FileStream对象时指定FileOptions.AsyncChronous标志。然后，可以调用FileStream的Read方法执行一个同步操作。在内部，FileStream类会开始一个异步操作，然后立即调用线程进入睡眠状态，直到操作完成才唤醒，从而模拟同步行为，这样依然效率低下。总之，使用FileStream时应该想好是以同步方式还是以异步方式执行I/O操作，并指定FileOptions.Asynchronous标志来指明自己的选择。如果指定了该标志，就总是调用ReadAsync。如果没有使用这个标志，就总是调用Read。这样能够获得最佳性能。如果想先对FileStream执行一些同步操作，再执行一些异步操作，那么更高效的做法是使用FileOptions.Asynchronous标志来构造它。另外也可针对同一个文件，创建两个FileStream对象，一个FileStream进行同步操作，另一个FileStream执行异步操作。FileStream的辅助方法（Create,Open和OpenWrite）创建并返回FileStream对象，这些方法都没有指定FileOptions.Asynchronous标志，所以为了实现响应灵敏的、可伸缩性的应用程序，应避免使用这些方法。5.异步实现服务器
FCL内建了对伸缩性很好的一些异步服务器的支持。下面列举中MSDN文档中值的参考的地方。
1.要构建异步ASP.NET Web窗体，在.aspx文件中添加Async="true"的网页指令，并参考System.Web.UI.Page的RegisterAsyncTask方法。2.要构建异步ASP.NET MVC控制器，使你的控制器类从System.Web.Mvc.AsyncController派生，让操作方法返回一个Task<ActionResult>即可。3.要构建异步ASP.NET 处理程序，使你的类从System.Web.HttpTaskAsyncHandler派生，重写其ProcessRequestAsync方法。4.要构建异步WCF服务，将服务作为异步函数来实现，让它返回Task或Task<TResult>。
这里笔者讲解一下如何构建异步的ASP.NET MVC控制器，如果是.NET 4.5（支持await和async关键词）以上以及4.5的版本，那么构建异步ASP.NET非常方便，例如：
public class TestController extends AsyncController{ public async Task Get() { Task task = ...; return await task; } } 上面的模型方法不会阻塞任何线程。在.NET 4.5 以下的话，并不支持async和await，我们仍然可以通过AsyncController来实现不阻塞任何线程的异步服务器响应：
public class TestController : AsyncController { //开始异步会调用该方法 public void getAsync() { //声明异步操作 AsyncManager.OutstandingOperations.Increment(); Task.Factory.StartNew(() => { //开始异步操作 //在这里可以进行耗时的操作，并不会有线程等待 //将结果赋值给AsyncManager.Parameters AsyncManager.Parameters["response"] = "abc"; //异步结束 AsyncManager.OutstandingOperations.Decrement(); }); } //异步结束时，会调用该方法 //参数必需和AsyncManager.Parameters赋值key一样 public ActionResult getCompleted(String response) { return Content(response.ToString(), "text/json"); } } 上面虽然声明了两个控制器方法getAsync和getCompleted，但实际上只有get，访问也只能通过get。
在使用AsyncManager进行数据传递的时候，AsyncManager是和控制器相关联的，也就是说如果有Simple控制器和Test控制器，那么Simple控制器中的AsyncManager是不能干扰Test控制器中的AsyncManager的数的。
更详细的内容，可以看这篇文章：
6.如何取消异步IO操作
Windows一般没有提供取消未完成I/O操作的途径，这是许多开发人员都想要的功能，实现起来却很困难。毕竟，如果向服务器请求了1000个字节，然后决定不再需要这些字节，那么其实没有办法告诉服务器忘掉你的请求。在这种情况下，只能让字节照常返回，再将他们丢弃。此外，这里还发生竞态条件-取消请求的请求可能正在服务器发送响应的时候到来，要在代码中处理这种潜在的竞态条件，决定是丢弃还是使用数据。
建议实现一个WithCancellation扩展方法Task<TResult>(需要重载版本来扩展Task)上面的案例中，我们已经使用过Task的扩展版本了，下面是Task<TResult>版本：static class CancelleationClass {private struct Void { }//没有泛型的TaskCompletionSource类public static async Task WithCancellation (this Task originalTask, CancellationToken ct){ //创建在CancellationToken被取消时完成的一个Task var cancelTask = new TaskCompletionSource (); //一旦CancellationToken被取消，就完成Task CancellationTokenRegistration cancellationTokenRegistration = ct.Register(t => { ((TaskCompletionSource )t).TrySetResult(new Void()); }, cancelTask); //创建在原始task或cancel task完成时都完成的Task Task any = await Task.WhenAny(originalTask, cancelTask.Task); //只要是cancel task先完成，就抛出OperationCanceledException if (any == cancelTask.Task) { ct.ThrowIfCancellationRequested(); } //释放资源 cancellationTokenRegistration.Dispose(); //返回原始任务 return originalTask.Result;}} 按照如下的代码来使用它：
public static async Taskgo() { var cts = new CancellationTokenSource(); var ct = cts.Token; try { Int32 max = 10; Task task = new Task (() => { Int32 result = 0; for (int i = 0; i < max; i++) { result += i; Thread.Sleep(1000); } return result; }); task.Start(); //在指定的时间后取消操作 Task.Delay(500).ContinueWith((obj) => { cts.Cancel(); }); Int32 res=await task.WithCancellation (ct); return res; } catch (OperationCanceledException e) { Console.WriteLine(e.Message); } return -1;}