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await,async 我要把它翻个底朝天,这回你总该明白了吧


一:背景

1. 讲故事

await,async 这玩意的知识点已经被人说的烂的不能再烂了,看似没什么好说的,但我发现有不少文章还是从理论上讲述了这两个语法糖的用法,懂得还是懂,不懂的看似懂了过几天又不懂了,人生如戏全靠记是不行的哈😄😄😄,其实本质上来说 await, async 只是编译器层面上的语法糖,在 IL 层面都会被打成原型的,所以在这个层面上认识这两个语法糖是非常有必要的。

二:从 IL 层面认识

1. 使用 WebClient 下载

为了方便打回原型,我先上一个例子,使用 webclient 异步下载 http://cnblogs.com 的html,代码如下:

     class Program     {         static void Main(string[] args)         {             var html = GetResult();              Console.WriteLine("稍等... 正在下载 cnblogs -> html rn");              var content = html.Result;              Console.WriteLine(content);         }          static async Task<string> GetResult()         {             var client = new WebClient();              var content = await client.DownloadStringTaskAsync(new Uri("http://cnblogs.com"));              return content;         }     }  

await,async 我要把它翻个底朝天,这回你总该明白了吧

上面的代码非常简单,可以看到异步操作没有阻塞主线程输出: 稍等... 正在下载 cnblogs -> html rn, 编译器层面没什么好说的 ,接下来看下在 IL 层面发生了什么?

2. 挖掘 await async 的IL代码

还是老规矩, ilSpy 走起,如下图:

await,async 我要把它翻个底朝天,这回你总该明白了吧

可以看到,这里有一个 GetResult 方法 ,一个 Main 方法,还有一个不知道在哪里冒出来的 <GetResult>d__1 类,接下来和大家一个一个聊。

<1> <GetResult>d__1> 类

因为不知道从哪里冒出来的,特别引人关注,所以看看它的 IL 是咋样的?

 .class nested private auto ansi sealed beforefieldinit '<GetResult>d__1' 	extends [System.Runtime]System.Object 	implements [System.Runtime]System.Runtime.CompilerServices.IAsyncStateMachine { 	.method private final hidebysig newslot virtual  		instance void MoveNext () cil managed  	{     }      .method private final hidebysig newslot virtual  		instance void SetStateMachine ( 			class [System.Runtime]System.Runtime.CompilerServices.IAsyncStateMachine stateMachine 		) cil managed      {      } }  

从上面的 IL 代码可以看到,这是自动生成的 <GetResult>d__1 类实现了接口 IAsyncStateMachine,定义如下:

await,async 我要把它翻个底朝天,这回你总该明白了吧

看到里面的 MoveNext 是不是很眼熟,平时你在 foreach 集合的时候就会用到这个方法,那时人家叫做枚举类,在这里算是被改造了一下, 叫状态机😄😄😄。

<2> GetResult ()

为了方便演示,我对方法体中的 IL 代码做一下简化:

 .method private hidebysig static  	class [System.Runtime]System.Threading.Tasks.Task`1<string> GetResult () cil managed  { 	IL_0000: newobj instance void ConsoleApp3.Program/'<GetResult>d__1'::.ctor() 	IL_0005: stloc.0 	IL_0006: ldloc.0 	IL_0007: call valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1<!0> valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1<string>::Create() 	IL_000c: stfld valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1<string> ConsoleApp3.Program/'<GetResult>d__1'::'<>t__builder' 	IL_0011: ldloc.0 	IL_0012: ldc.i4.m1 	IL_0013: stfld int32 ConsoleApp3.Program/'<GetResult>d__1'::'<>1__state' 	IL_0018: ldloc.0 	IL_0019: ldflda valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1<string> ConsoleApp3.Program/'<GetResult>d__1'::'<>t__builder' 	IL_001e: ldloca.s 0 	IL_0020: call instance void valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1<string>::Start<class ConsoleApp3.Program/'<GetResult>d__1'>(!!0&) 	IL_0025: ldloc.0 	IL_0026: ldflda valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1<string> ConsoleApp3.Program/'<GetResult>d__1'::'<>t__builder' 	IL_002b: call instance class [System.Runtime]System.Threading.Tasks.Task`1<!0> valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1<string>::get_Task() 	IL_0030: ret } // end of method Program::GetResult   

如果你稍微懂一点的话,在 IL_0000 处的 newobj 你就应该知道这个方法就是做了 new <GetResult>d__1,然后从 IL_002b 处返回了一个 get_Task() ,这时候你就应该明白,为什么主线程不会被阻塞,因为人家返回的是 Task<string> ,对吧,最后的 http 结果会藏在 Task<string> 中,这样是不是就很好理解了。

<3> Main

Main方法没有做任何改变,原来是什么样现在还是什么样。

三:将 IL 代码 回写为 C#

1. 完整 C# 代码

通过前面一部分你应该对 await ,async 在 IL 层面有了一个框架性的认识,这里我就全部反写成 C# 代码:

     class Program     {         static void Main(string[] args)         {             var html = GetResult();              Console.WriteLine("稍等... 正在下载 cnblogs -> html rn");              var content = html.Result;              Console.WriteLine(content);         }          static Task<string> GetResult()         {             GetResult stateMachine = new GetResult();              stateMachine.builder = AsyncTaskMethodBuilder<string>.Create();              stateMachine.state = -1;              stateMachine.builder.Start(ref stateMachine);              return stateMachine.builder.Task;         }     }      class GetResult : IAsyncStateMachine     {         public int state;         public AsyncTaskMethodBuilder<string> builder;         private WebClient client;         private string content;         private string s3;         private TaskAwaiter<string> awaiter;          public void MoveNext()         {             var result = string.Empty;             TaskAwaiter<string> localAwaiter;             GetResult stateMachine;              int num = state;              try             {                 if (num == 0)                 {                     localAwaiter = awaiter;                     awaiter = default(TaskAwaiter<string>);                     num = state = -1;                 }                 else                 {                     client = new WebClient();                      localAwaiter = client.DownloadStringTaskAsync(new Uri("http://cnblogs.com")).GetAwaiter();                      if (!localAwaiter.IsCompleted)                     {                         num = state = 0;                         awaiter = localAwaiter;                         stateMachine = this;                         builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref localAwaiter, ref stateMachine);                         return;                     }                 }                  s3 = localAwaiter.GetResult();                 content = s3;                 s3 = null;                 result = content;             }             catch (Exception exx)             {                 state = -2;                 client = null;                 content = null;                 builder.SetException(exx);             }              state = -2;             client = null;             content = null;             builder.SetResult(result);         }          public void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine) { }     }  

await,async 我要把它翻个底朝天,这回你总该明白了吧

可以看到,回写成 C# 代码之后跑起来是没有任何问题的,为了方便理解,我先来画一张流程图。

await,async 我要把它翻个底朝天,这回你总该明白了吧

通过上面的 xmind,它基本流程就是: stateMachine.builder.Start(ref stateMachine) -> GetResult.MoveNext -> client.DownloadStringTaskAsync -> localAwaiter.IsCompleted = false -> builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref localAwaiter, ref stateMachine) -> GetResult.MoveNext -> localAwaiter.GetResult() -> builder.SetResult(result)

2. 剖析 AsyncTaskMethodBuilder

其实你仔细观察会发现,所谓的 await,async 的异步化运作都是由 AsyncTaskMethodBuilder 承载的,如异步任务的启动,对html结果的封送,接触底层IO,其中 Task<string> 对应着 AsyncTaskMethodBuilder<string>, Task 对应着 AsyncTaskMethodBuilder, 这也是为什么编译器在 async 处一直提示你返回 Task 和 Task<string>,如果不这样的话的就找不到对应 AsyncTaskMethodBuilder 了,对吧,如下图:

await,async 我要把它翻个底朝天,这回你总该明白了吧

然后着重看下 AwaitUnsafeOnCompleted 方法,这个方法非常重要,其注释如下:

         //         // Summary:         //     Schedules the state machine to proceed to the next action when the specified         //     awaiter completes. This method can be called from partially trusted code.         public void AwaitUnsafeOnCompleted<[NullableAttribute(0)] TAwaiter, [NullableAttribute(0)] TStateMachine>(ref TAwaiter awaiter, ref TStateMachine stateMachine)             where TAwaiter : ICriticalNotifyCompletion             where TStateMachine : IAsyncStateMachine;  

一旦调用了这个方法,就需要等待 底层IO 将任务处理完毕之后二次回调 GetResult.MoveNext,也就表示要么异常要么完成任务, Awaiter 包装的 Task 结果封送到 builder.SetResult

然后简单说一下 状态机 的走法,通过调试会发现这里会走 两次 MoveNext,一次启动,一次拿结果。

<1> 第一次回调 MoveNext

第一次 MoveNext 的触发由 stateMachine.builder.Start(ref stateMachine) 发起,可以用 dnspy 去调试一下,如下图:

await,async 我要把它翻个底朝天,这回你总该明白了吧

<2> 第二次回调 MoveNext

第二次 MoveNext 的触发由 builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref localAwaiter, ref stateMachine) 开始,可以看到一旦 网络驱动程序 处理完毕后就由线程池IO线程主动发起到最后触发代码中的 MoveNext,最后就是到 awaiter 中获取 task 的 result 处结束,如下图:

await,async 我要把它翻个底朝天,这回你总该明白了吧

四: 总结

语法糖有简单和复杂之分,复杂的也不要怕,学会将 IL 代码翻译成 C# ,或许你以前很多不明白的地方此时都会豁然开朗,不是吗?

如您有更多问题与我互动,扫描下方进来吧~

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