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Await,Async 我要把它翻個(gè)底朝天，這回你總該明白了吧

一：背景

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1. 講故事

await，async 這玩意的知識(shí)點(diǎn)已經(jīng)被人說的爛的不能再爛了，看似沒什么好說的，但我發(fā)現(xiàn)有不少文章還是從理論上講述了這兩個(gè)語法糖的用法，懂得還是懂，不懂的看似懂了過幾天又不懂了，人生如戲全靠記是不行的哈，其實(shí)本質(zhì)上來說 await, async 只是編譯器層面上的語法糖，在 IL 層面都會(huì)被打成原型的，所以在這個(gè)層面上認(rèn)識(shí)這兩個(gè)語法糖是非常有必要的。

二：從 IL 層面認(rèn)識(shí)

1. 使用 WebClient 下載

為了方便打回原型，我先上一個(gè)例子，使用 webclient 異步下載 http://cnblogs.com 的html，代碼如下：

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

上面的代碼非常簡(jiǎn)單，可以看到異步操作沒有阻塞主線程輸出: 稍等... 正在下載 cnblogs -> html \r\n, 編譯器層面沒什么好說的，接下來看下在 IL 層面發(fā)生了什么?

2. 挖掘 await async 的IL代碼

還是老規(guī)矩， ilSpy 走起，如下圖：

可以看到，這里有一個(gè) GetResult 方法，一個(gè) Main 方法，還有一個(gè)不知道在哪里冒出來的 d__1 類，接下來和大家一個(gè)一個(gè)聊。

<1 style="box-sizing: border-box;"> \d__1> 類

因?yàn)椴恢缽哪睦锩俺鰜淼?，特別引人關(guān)注，所以看看它的 IL 是咋樣的?

 
 
 
   
  
  
  .class nested private auto ansi sealed beforefieldinit '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   
  
  
      {   
  
  
     
  
  
      }   
  
  
  }

從上面的 IL 代碼可以看到，這是自動(dòng)生成的 d__1 類實(shí)現(xiàn)了接口 IAsyncStateMachine，定義如下：

看到里面的 MoveNext 是不是很眼熟，平時(shí)你在 foreach 集合的時(shí)候就會(huì)用到這個(gè)方法，那時(shí)人家叫做枚舉類，在這里算是被改造了一下，叫狀態(tài)機(jī)。

<2 style="box-sizing: border-box;"> GetResult ()

為了方便演示，我對(duì)方法體中的 IL 代碼做一下簡(jiǎn)化：

 
 
 
   
  
  
  .method private hidebysig static    
  
  
      class [System.Runtime]System.Threading.Tasks.Task`1 GetResult () cil managed    
  
  
  {   
  
  
      IL_0000: newobj instance void ConsoleApp3.Program/'d__1'::.ctor()   
  
  
      IL_0005: stloc.0   
  
  
      IL_0006: ldloc.0   
  
  
      IL_0007: call valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1 valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1::Create()   
  
  
      IL_000c: stfld valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1 ConsoleApp3.Program/'d__1'::'<>t__builder'   
  
  
      IL_0011: ldloc.0   
  
  
      IL_0012: ldc.i4.m1   
  
  
      IL_0013: stfld int32 ConsoleApp3.Program/'d__1'::'<>1__state'   
  
  
      IL_0018: ldloc.0   
  
  
      IL_0019: ldflda valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1 ConsoleApp3.Program/'d__1'::'<>t__builder'   
  
  
      IL_001e: ldloca.s 0   
  
  
      IL_0020: call instance void valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1::Startd__1'>(!!0&)   
  
  
      IL_0025: ldloc.0   
  
  
      IL_0026: ldflda valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1 ConsoleApp3.Program/'d__1'::'<>t__builder'   
  
  
      IL_002b: call instance class [System.Runtime]System.Threading.Tasks.Task`1 valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1::get_Task()   
  
  
      IL_0030: ret   
  
  
  } // end of method Program::GetResult

如果你稍微懂一點(diǎn)的話，在 IL_0000 處的 newobj 你就應(yīng)該知道這個(gè)方法就是做了 new d__1，然后從 IL_002b 處返回了一個(gè) get_Task() ，這時(shí)候你就應(yīng)該明白，為什么主線程不會(huì)被阻塞，因?yàn)槿思曳祷氐氖?Task ，對(duì)吧，最后的 http 結(jié)果會(huì)藏在 Task 中，這樣是不是就很好理解了。

<3 style="box-sizing: border-box;"> Main

Main方法沒有做任何改變，原來是什么樣現(xiàn)在還是什么樣。

三：將 IL 代碼回寫為 C#

1. 完整 C# 代碼

通過前面一部分你應(yīng)該對(duì) await ，async 在 IL 層面有了一個(gè)框架性的認(rèn)識(shí)，這里我就全部反寫成 C# 代碼：

 
 
 
   
  
  
  class Program   
  
  
      {   
  
  
          static void Main(string[] args)   
  
  
          {   
  
  
              var html = GetResult();   
  
  
     
  
  
              Console.WriteLine("稍等... 正在下載 cnblogs -> html \r\n");   
  
  
     
  
  
              var content = html.Result;   
  
  
     
  
  
              Console.WriteLine(content);   
  
  
          }   
  
  
     
  
  
          static Task GetResult()   
  
  
          {   
  
  
              GetResult stateMachine = new GetResult();   
  
  
     
  
  
              stateMachine.builder = AsyncTaskMethodBuilder.Create();   
  
  
     
  
  
              stateMachine.state = -1;   
  
  
     
  
  
              stateMachine.builder.Start(ref stateMachine);   
  
  
     
  
  
              return stateMachine.builder.Task;   
  
  
          }   
  
  
      }   
  
  
     
  
  
      class GetResult : IAsyncStateMachine   
  
  
      {   
  
  
          public int state;   
  
  
          public AsyncTaskMethodBuilder builder;   
  
  
          private WebClient client;   
  
  
          private string content;   
  
  
          private string s3;   
  
  
          private TaskAwaiter awaiter;   
  
  
     
  
  
          public void MoveNext()   
  
  
          {   
  
  
              var result = string.Empty;   
  
  
              TaskAwaiter localAwaiter;   
  
  
              GetResult stateMachine;   
  
  
     
  
  
              int num = state;   
  
  
     
  
  
              try   
  
  
              {   
  
  
                  if (num == 0)   
  
  
                  {   
  
  
                      localAwaiter = awaiter;   
  
  
                      awaiter = default(TaskAwaiter);   
  
  
                      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) { }   
  
  
      }

可以看到，回寫成 C# 代碼之后跑起來是沒有任何問題的，為了方便理解，我先來畫一張流程圖。

通過上面的 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

其實(shí)你仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，所謂的 await，async 的異步化運(yùn)作都是由 AsyncTaskMethodBuilder 承載的，如異步任務(wù)的啟動(dòng)，對(duì)html結(jié)果的封送，接觸底層IO，其中 Task 對(duì)應(yīng)著 AsyncTaskMethodBuilder , Task 對(duì)應(yīng)著 AsyncTaskMethodBuilder，這也是為什么編譯器在 async 處一直提示你返回 Task 和 Task ，如果不這樣的話的就找不到對(duì)應(yīng) AsyncTaskMethodBuilder 了，對(duì)吧，如下圖：

然后著重看下 AwaitUnsafeOnCompleted 方法，這個(gè)方法非常重要，其注釋如下：

 
 
 
   
  
  
  //   
  
  
          // 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;

一旦調(diào)用了這個(gè)方法，就需要等待底層IO 將任務(wù)處理完畢之后二次回調(diào) GetResult.MoveNext，也就表示要么異常要么完成任務(wù)， Awaiter 包裝的 Task 結(jié)果封送到 builder.SetResult。

然后簡(jiǎn)單說一下狀態(tài)機(jī) 的走法，通過調(diào)試會(huì)發(fā)現(xiàn)這里會(huì)走兩次 MoveNext，一次啟動(dòng)，一次拿結(jié)果。

<1> 第一次回調(diào) MoveNext

第一次 MoveNext 的觸發(fā)由 stateMachine.builder.Start(ref stateMachine) 發(fā)起，可以用 dnspy 去調(diào)試一下，如下圖：

<2> 第二次回調(diào) MoveNext

第二次 MoveNext 的觸發(fā)由 builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref localAwaiter, ref stateMachine) 開始，可以看到一旦網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序處理完畢后就由線程池IO線程主動(dòng)發(fā)起到最后觸發(fā)代碼中的 MoveNext，最后就是到 awaiter 中獲取 task 的 result 處結(jié)束，如下圖：

四：總結(jié)

語法糖有簡(jiǎn)單和復(fù)雜之分，復(fù)雜的也不要怕，學(xué)會(huì)將 IL 代碼翻譯成 C# ，或許你以前很多不明白的地方此時(shí)都會(huì)豁然開朗，不是嗎?

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