1. 使用 Async 和 Await 的异步编程¶

基于任务的异步编程模型 (TAP) 提供了异步代码的抽象化。你只需像往常一样将代码编写为一连串语句即可。就如每条语句在下一句开始之前完成一样，你可以流畅地阅读代码。编译器将执行若干转换，因为其中一些语句可能会开始运行并返回表示正在运行中的 Task。

这就是此语法的目标：支持读起来像一连串语句的代码，但会根据外部资源分配和任务完成时间以更复杂的顺序执行。这与人们为包含异步任务的流程给予指令的方式类似。整篇文章将使用做早餐的指令示例来阐述 async 和 await 关键字如何使推断包含一系列异步指令的代码更为轻松。你可能会写出与以下列表类似的指令来解释如何做早餐：

倒一杯咖啡。
加热平底锅，然后煎两个鸡蛋。
煎三片培根。
烤两片面包。
在烤面包上加黄油和果酱。
倒一杯橙汁。

如果你有烹饪经验，便可通过异步方式执行这些指令。你会先开始加热平底锅以备煎蛋，接着再从培根着手。你可将面包放进烤面包机，然后再煎鸡蛋。在此过程的每一步，你都可以先开始一项任务，然后将注意力转移到准备进行的其他任务上。

做早餐是非并行异步工作的一个好示例。单人（或单线程）即可处理所有这些任务。继续讲解早餐的类比，一个人可以以异步方式做早餐，即在第一个任务完成之前开始进行下一个任务。不管是否有人在看着，做早餐的过程都在进行。在开始加热平底锅准备煎蛋的同时就可以开始煎了培根。在开始煎培根后，你可以将面包放进烤面包机。

对于并行算法而言，你则需要多名厨师（或线程）。一名厨师煎鸡蛋，一名厨师煎培根，依次类推。每名厨师将仅专注于一项任务。每名厨师（或线程）都在同步等待需要翻动培根或面包弹出时都将受到阻。

现在，考虑一下编写为 C# 语句的相同指令：

static void Main(string[] args)
{
    Coffee cup = PourCoffee();
    Console.WriteLine("coffee is ready");
    Egg eggs = FryEggs(2);
    Console.WriteLine("eggs are ready");
    Bacon bacon = FryBacon(3);
    Console.WriteLine("bacon is ready");
    Toast toast = ToastBread(2);
    ApplyButter(toast);
    ApplyJam(toast);
    Console.WriteLine("toast is ready");
    Juice oj = PourOJ();
    Console.WriteLine("oj is ready");

    Console.WriteLine("Breakfast is ready!");
}

计算机不会按人类的方式来解释这些指令。计算机将阻塞每条语句，直到工作完成，然后再继续运行下一条语句。这将创造出令人不满意的早餐。后续任务直到早前任务完成后才会启动。这样做早餐花费的时间要长得多，有些食物在上桌之前就已经凉了。

如果你希望计算机异步执行上述指令，则必须编写异步代码。

这些问题对即将编写的程序而言至关重要。编写客户端程序时，你希望 UI 能够响应用户输入。从 Web 下载数据时，你的应用程序不应让手机出现卡顿。编写服务器程序时，你不希望线程受到阻塞。这些线程可以用于处理其他请求。存在异步替代项的情况下使用同步代码会增加你进行扩展的成本。你需要为这些受阻线程付费。

成功的现代应用程序需要异步代码。在没有语言支持的情况下，编写异步代码需要回调、完成事件，或其他掩盖代码原始意图的方法。同步代码的优点在于易于理解。分布操作使其易于查看和理解。传统的异步模型迫使你侧重于代码的异步性质，而不是代码的基本操作。

1.1. 不要阻塞，而要 await¶

上述代码演示了不正确的实践：构造同步代码来执行异步操作。顾名思义，此代码将阻止执行这段代码的线程执行任何其他操作。在任何任务进行过程中，此代码也不会被中断。就如同你将面包放进烤面包机后盯着此烤面包机一样。你会无视任何跟你说话的人，直到面包弹出。

我们首先更新此代码，使线程在任务运行时不会阻塞。 await 关键字提供了一种非阻塞方式来启动任务，然后在此任务完成时继续执行。 “做早餐”代码的简单异步版本类似于以下片段：

static async Task Main(string[] args)
{
    Coffee cup = PourCoffee();
    Console.WriteLine("coffee is ready");
    Egg eggs = await FryEggs(2);
    Console.WriteLine("eggs are ready");
    Bacon bacon = await FryBacon(3);
    Console.WriteLine("bacon is ready");
    Toast toast = await ToastBread(2);
    ApplyButter(toast);
    ApplyJam(toast);
    Console.WriteLine("toast is ready");
    Juice oj = PourOJ();
    Console.WriteLine("oj is ready");

    Console.WriteLine("Breakfast is ready!");
}

在煎鸡蛋或培根时，此代码不会阻塞。不过，此代码也不会启动任何其他任务。你还是会将面包放进烤面包机里，然后盯着烤面包机直到面包弹出。但至少，你会回应任何想引起你注意的人。在接受了多份订单的一家餐馆里，厨师可能会在做第一份早餐的同时开始制作另一份早餐。

现在，在等待任何尚未完成的已启动任务时，处理早餐的线程将不会被阻塞。对于某些应用程序而言，此更改是必需的。仅凭借此更改，GUI 应用程序仍然会响应用户。然而，对于此方案而言，你需要更多的内容。你不希望每个组件任务都按顺序执行。最好首先启动每个组件任务，然后再等待之前任务的完成。

1.2. 同时启动任务¶

在许多方案中，你希望立即启动若干独立的任务。然后，在每个任务完成时，你可以继续进行已准备的其他工作。在早餐类比中，这就是更快完成做早餐的方法。你也几乎将在同一时间完成所有工作。你将吃到一顿热气腾腾的早餐。

System.Threading.Tasks.Task 和相关类型是可以用于推断正在进行中的任务的类。这使你能够编写更类似于实际做早餐方式的代码。你可以同时开始煎鸡蛋、培根和烤面包。由于每个任务都需要操作，所以你会将注意力转移到那个任务上，进行下一个操作，然后等待其他需要你注意的事情。

启动一项任务并等待表示运行的 Task 对象。你将首先 await 每项任务，然后再处理它的结果。

让我们对早餐代码进行这些更改。第一步是存储任务以便在这些任务启动时进行操作，而不是等待：

Coffee cup = PourCoffee();
Console.WriteLine("coffee is ready");
Task<Egg> eggsTask = FryEggs(2);
Egg eggs = await eggsTask;
Console.WriteLine("eggs are ready");
Task<Bacon> baconTask = FryBacon(3);
Bacon bacon = await baconTask;
Console.WriteLine("bacon is ready");
Task<Toast> toastTask = ToastBread(2);
Toast toast = await toastTask;
ApplyButter(toast);
ApplyJam(toast);
Console.WriteLine("toast is ready");
Juice oj = PourOJ();
Console.WriteLine("oj is ready");

Console.WriteLine("Breakfast is ready!");

接下来，可以在提供早餐之前将用于处理培根和鸡蛋的 await 语句移动到此方法的末尾：

Coffee cup = PourCoffee();
Console.WriteLine("coffee is ready");
Task<Egg> eggsTask = FryEggs(2);
Task<Bacon> baconTask = FryBacon(3);
Task<Toast> toastTask = ToastBread(2);
Toast toast = await toastTask;
ApplyButter(toast);
ApplyJam(toast);
Console.WriteLine("toast is ready");
Juice oj = PourOJ();
Console.WriteLine("oj is ready");

Egg eggs = await eggsTask;
Console.WriteLine("eggs are ready");
Bacon bacon = await baconTask;
Console.WriteLine("bacon is ready");

Console.WriteLine("Breakfast is ready!");

上述代码效果更好。你可以一次启动所有的异步任务。你仅在需要结果时才会等待每项任务。上述代码可能类似于 Web 应用程序中请求各种微服务，然后将结果合并到单个页面中的代码。你将立即发出所有请求，然后 await 所有这些任务并组成 Web 页面。

1.3. 与任务组合¶

除了吐司外，你准备好了做早餐的所有材料。吐司制作由异步操作（烤面包）和同步操作（添加黄油和果酱）组成。更新此代码说明了一个重要的概念：

Note

异步操作后跟同步操作的这种组合是一个异步操作。换言之，如果操作的任何部分是异步的，整个操作就是异步的。

上述代码展示了可以使用 Task 或 Task<TResult> 对象来保存运行中的任务。你首先需要 await 每项任务，然后再使用它的结果。下一步是创建表示其他工作组合的方式。在提供早餐之前，你希望等待表示先烤面包再添加黄油和果酱的任务完成。你可以使用以下代码表示此工作：

async Task<Toast> MakeToastWithButterAndJamAsync(int number)
{
    var toast = await ToastBreadAsync(number);
    ApplyButter(toast);
    ApplyJam(toast);
    return toast;
}

上述方式的签名中具有 async 修饰符。它会向编译器发出信号，说明此方法包含 await 语句；也包含异步操作。此方法表示先烤面包，然后再添加黄油和果酱的任务。此方法返回表示这三个操作的组合的 Task<TResult>。主要代码块现在变成了：

static async Task Main(string[] args)
{
    Coffee cup = PourCoffee();
    Console.WriteLine("coffee is ready");
    var eggsTask = FryEggsAsync(2);
    var baconTask = FryBaconAsync(3);
    var toastTask = MakeToastWithButterAndJamAsync(2);

    var eggs = await eggsTask;
    Console.WriteLine("eggs are ready");
    var bacon = await baconTask;
    Console.WriteLine("bacon is ready");
    var toast = await toastTask;
    Console.WriteLine("toast is ready");
    Juice oj = PourOJ();
    Console.WriteLine("oj is ready");

    Console.WriteLine("Breakfast is ready!");

    async Task<Toast> MakeToastWithButterAndJamAsync(int number)
    {
        var toast = await ToastBreadAsync(number);
        ApplyButter(toast);
        ApplyJam(toast);
        return toast;
    }
}

上述更改说明了使用异步代码的一项重要技术。你可以通过将操作分离到一个返回任务的新方法中来组合任务。可以选择等待此任务的时间。可以同时启动其他任务。

1.4. 高效地等待任务¶

可以通过使用 Task 类的方法改进上述代码末尾的一系列 await 语句。其中一个 API 是 WhenAll，它将返回一个其参数列表中的所有任务都已完成时才完成的 Task，如以下代码中所示：

await Task.WhenAll(eggsTask, baconTask, toastTask);
Console.WriteLine("eggs are ready");
Console.WriteLine("bacon is ready");
Console.WriteLine("toast is ready");
Console.WriteLine("Breakfast is ready!");

另一种选择是使用 WhenAny，它将返回一个当其参数完成时才完成的 Task<Task>。你可以等待返回的任务，了解它已经完成了。以下代码展示了可以如何使用 WhenAny 等待第一个任务完成，然后再处理其结果。处理已完成任务的结果之后，可以从传递给 WhenAny 的任务列表中删除此已完成的任务。

var allTasks = new List<Task>{eggsTask, baconTask, toastTask};
while (allTasks.Any())
{
    Task finished = await Task.WhenAny(allTasks);
    if (finished == eggsTask)
    {
        Console.WriteLine("eggs are ready");
    }
    else if (finished == baconTask)
    {
        Console.WriteLine("bacon is ready");
    }
    else if (finished == toastTask)
    {
        Console.WriteLine("toast is ready");
    }
    allTasks.Remove(finished);
}
Juice oj = PourOJ();
Console.WriteLine("oj is ready");
Console.WriteLine("Breakfast is ready!");

进行所有这些更改之后，Main 的最终版本类似于以下代码：

static async Task Main(string[] args)
{
    Coffee cup = PourCoffee();
    Console.WriteLine("coffee is ready");
    var eggsTask = FryEggsAsync(2);
    var baconTask = FryBaconAsync(3);
    var toastTask = MakeToastWithButterAndJamAsync(2);

    var allTasks = new List<Task>{eggsTask, baconTask, toastTask};
    while (allTasks.Any())
    {
        Task finished = await Task.WhenAny(allTasks);
        if (finished == eggsTask)
        {
            Console.WriteLine("eggs are ready");
        }
        else if (finished == baconTask)
        {
            Console.WriteLine("bacon is ready");
        }
        else if (finished == toastTask)
        {
            Console.WriteLine("toast is ready");
        }
        allTasks.Remove(finished);
    }
    Juice oj = PourOJ();
    Console.WriteLine("oj is ready");
    Console.WriteLine("Breakfast is ready!");

    async Task<Toast> MakeToastWithButterAndJamAsync(int number)
    {
        var toast = await ToastBreadAsync(number);
        ApplyButter(toast);
        ApplyJam(toast);
        return toast;
    }
}

此最终代码是异步的。它更为准确地反映了一个人做早餐的流程。将上述代码与本文中的第一个代码示例进行比较。阅读代码时，核心操作仍然很明确。你可以按照阅读本文开始时早餐制作说明的相同方式阅读此代码。 async 和 await 的语言功能支持每个人做出转变以遵循这些书面指示：尽可能启动任务，不要在等待任务完成时造成阻塞。