深入理解async和await的作用及各种适用场景和用法

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深入理解async和await的作用及各种适用场景和用法

DotNet 2019-08-03

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来源：Yaopengfei

cnblogs.com/yaopengfei/p/9249390.html

一、同步VS异步

1. 同步 VS 异步 VS 多线程

同步方法：调用时需要等待返回结果，才可以继续往下执行业务
异步方法：调用时无须等待返回结果，可以继续往下执行业务
开启新线程：在主线程之外开启一个新的线程去执行业务
同步方法和异步方法的本质区别：调用时是否需要等待返回结果才能继续执行业务

2. 常见的异步方法（都以Async结尾）

① HttpClient类：PostAsync、PutAsync、GetAsync、DeleteAsync

② EF中DbContext类：SaveChangesAsync

③ 文件相关中的：WriteLineAsync

3. 引入异步方法的背景

比如我在后台要向另一台服务器中获取中的2个接口获取信息，然后将两个接口的信息拼接起来，一起输出，接口1耗时3s，接口2耗时5s，

① 传统的同步方式：

需要的时间大约为：3s + 5s =8s, 如下面【案例1】

先分享一个同步请求接口的封装方法，下同。

public class HttpService
{
/// <summary>
/// 后台跨域请求发送代码
/// </summary>
/// <param name="url">eg:http://ac.guojin.org/jeesite/regist/saveAppAgentAccount </param>
///<param name="postData"></param>
/// 参数格式（手拼Json） string postData = "{\"name\":\"" + vip.comName + "\",\"shortName\":\"" + vip.shortName + + "\"}";
/// <returns></returns>
public static string PostData(string postData, string url)
{
HttpWebRequest req = (HttpWebRequest)WebRequest.Create(url);//后台请求页面
Encoding encoding = Encoding.GetEncoding("utf-8");//注意页面的编码，否则会出现乱码
byte[] requestBytes = encoding.GetBytes(postData);
req.Method = "POST";
req.ContentType = "application/json";
req.ContentLength = requestBytes.Length;
Stream requestStream = req.GetRequestStream();
requestStream.Write(requestBytes, 0, requestBytes.Length);
requestStream.Close();
HttpWebResponse res = (HttpWebResponse)req.GetResponse();
StreamReader sr = new StreamReader(res.GetResponseStream(), System.Text.Encoding.GetEncoding("utf-8"));
string backstr = sr.ReadToEnd();//可以读取到从页面返回的结果，以数据流的形式。
sr.Close();
res.Close();

return backstr;
}
}

然后在分享服务上的耗时操作，下同。

/// <summary>
/// 耗时方法耗时3s
/// </summary>
/// <returns></returns>
public ActionResult GetMsg1()
{
Thread.Sleep(3000);
return Content("GetMsg1");
}
/// <summary>
/// 耗时方法耗时5s
/// </summary>
/// <returns></returns>
public ActionResult GetMsg2()
{
Thread.Sleep(5000);
return Content("GetMsg2");
}

下面是案例1代码

#region 案例1(传统同步方式耗时8s左右)
{
Stopwatch watch = Stopwatch.StartNew();
Console.WriteLine("开始执行");

string t1 = HttpService.PostData("", "http://localhost:2788/Home/GetMsg1");
string t2 = HttpService.PostData("", "http://localhost:2788/Home/GetMsg2");

Console.WriteLine("我是主业务");
Console.WriteLine($"{t1},{t2}");
watch.Stop();
Console.WriteLine($"耗时：{watch.ElapsedMilliseconds}");
}
#endregion

② 开启新线程分别执行两个耗时操作

需要的时间大约为：Max(3s,5s) = 5s ,如下面【案例2】

#region 案例2(开启新线程分别执行两个耗时操作耗时5s左右)
{
Stopwatch watch = Stopwatch.StartNew();
Console.WriteLine("开始执行");

var task1 = Task.Run(() =>
{
return HttpService.PostData("", "http://localhost:2788/Home/GetMsg1");
});

var task2 = Task.Run(() =>
{
return HttpService.PostData("", "http://localhost:2788/Home/GetMsg2");
});

Console.WriteLine("我是主业务");
//主线程进行等待
Task.WaitAll(task1, task2);
Console.WriteLine($"{task1.Result},{task2.Result}");
watch.Stop();
Console.WriteLine($"耗时：{watch.ElapsedMilliseconds}");
}
#endregion

既然②方式可以解决同步方法串行耗时间的问题，但这种方式存在一个弊端，一个业务中存在多个线程，且需要对线程进行管理，相对麻烦，从而引出了异步方法。

这里的异步方法我特指：系统类库自带的以async结尾的异步方法。

③ 使用系统类库自带的异步方法

需要的时间大约为：Max(3s,5s) = 5s ,如下面【案例3】

#region 案例3(使用系统类库自带的异步方法耗时5s左右)
{
Stopwatch watch = Stopwatch.StartNew();
HttpClient http = new HttpClient();
var httpContent = new StringContent("", Encoding.UTF8, "application/json");
Console.WriteLine("开始执行");
//执行业务
var r1 = http.PostAsync("http://localhost:2788/Home/GetMsg1", httpContent);
var r2 = http.PostAsync("http://localhost:2788/Home/GetMsg2", httpContent);
Console.WriteLine("我是主业务");

//通过异步方法的结果.Result可以是异步方法执行完的结果
Console.WriteLine(r1.Result.Content.ReadAsStringAsync().Result);
Console.WriteLine(r2.Result.Content.ReadAsStringAsync().Result);

watch.Stop();
Console.WriteLine($"耗时：{watch.ElapsedMilliseconds}");
}
#endregion

PS：通过 .Result 来获取异步方法执行完后的结果。

二. 利用async和await封装异步方法

1. 首先要声明几点：

① async和await关键字是C# 5.0时代引入的，它是一种异步编程模型

② 它们本身并不创建新线程，但我可以在自行封装的async中利用Task.Run开启新线程

③ 利用async关键字封装的方法中如果写全部都是一些串行业务, 且不用await关键字，那么即使使用async封装，也并没有什么卵用，并起不了异步方法的作用。

需要的时间大约为：3s + 5s =8s, 如下面【案例4】，并且封装的方法编译器会提示：“缺少关键字await，将以同步的方式调用，请使用await运算符等待非阻止API或Task.Run的形式”（PS：非阻止API指系统类库自带的以Async结尾的异步方法）

//利用async封装同步业务的方法
private static async Task<string> NewMethod5Async()
{
Thread.Sleep(3000);
//其它同步业务
return "Msg1";
}
private static async Task<string> NewMethod6Async()
{
Thread.Sleep(5000);
//其它同步业务
return "Msg2";
}

#region 案例4(async关键字封装的方法中如果写全部都是一些串行业务耗时8s左右)
{
Stopwatch watch = Stopwatch.StartNew();

Console.WriteLine("开始执行");

Task<string> t1 = NewMethod5Async();
Task<string> t2 = NewMethod6Async();

Console.WriteLine("我是主业务");
Console.WriteLine($"{t1.Result},{t2.Result}");
watch.Stop();
Console.WriteLine($"耗时：{watch.ElapsedMilliseconds}");
}
#endregion

观点结论1：从上面③中可以得出一个结论，async中必须要有await运算符才能起到异步方法的作用，且await 运算符只能加在系统类库默认提供的异步方法或者新线程（如：Task.Run）前面。

如：下面【案例5】和【案例6】需要的时间大约为：Max(3s,5s) = 5s

// 将系统类库提供的异步方法利用async封装起来
private static async Task<String> NewMethod1Async()
{
HttpClient http = new HttpClient();
var httpContent = new StringContent("", Encoding.UTF8, "application/json");
//执行业务
var r1 = await http.PostAsync("http://localhost:2788/Home/GetMsg1", httpContent);
return r1.Content.ReadAsStringAsync().Result;
}
private static async Task<String> NewMethod2Async()
{
HttpClient http = new HttpClient();
var httpContent = new StringContent("", Encoding.UTF8, "application/json");
//执行业务
var r1 = await http.PostAsync("http://localhost:2788/Home/GetMsg2", httpContent);
return r1.Content.ReadAsStringAsync().Result;
}

//将await关键字加在新线程的前面
private static async Task<string> NewMethod3Async()
{
var msg = await Task.Run(() =>
{
return HttpService.PostData("", "http://localhost:2788/Home/GetMsg1");
});
return msg;
}
private static async Task<string> NewMethod4Async()
{
var msg = await Task.Run(() =>
{
return HttpService.PostData("", "http://localhost:2788/Home/GetMsg2");
});
return msg;
}

#region 案例5(将系统类库提供的异步方法利用async封装起来耗时5s左右)
//并且先输出“我是主业务”，证明t1和t2是并行执行的，且不阻碍主业务
{
Stopwatch watch = Stopwatch.StartNew();

Console.WriteLine("开始执行");
Task<string> t1 = NewMethod1Async();
Task<string> t2 = NewMethod2Async();

Console.WriteLine("我是主业务");
Console.WriteLine($"{t1.Result},{t2.Result}");
watch.Stop();
Console.WriteLine($"耗时：{watch.ElapsedMilliseconds}");
}
#endregion

region 案例6(将新线程利用async封装起来耗时5s左右)
//并且先输出“我是主业务”，证明t1和t2是并行执行的，且不阻碍主业务
{
Stopwatch watch = Stopwatch.StartNew();

Console.WriteLine("开始执行");
Task<string> t1 = NewMethod3Async();
Task<string> t2 = NewMethod4Async();

Console.WriteLine("我是主业务");
Console.WriteLine($"{t1.Result},{t2.Result}");
watch.Stop();
Console.WriteLine($"耗时：{watch.ElapsedMilliseconds}");
}
#endregion

2. 几个规则和约定

① async封装的方法中，可以有多个await，这里的await代表等待该行代码执行完毕。

② 我们通常自己封装的方法也要以Async结尾，方便识别

③ 异步返回类型主要有三种：Task<T> 、Task、Void

3. 测试得出其他几个结论

①如果async封装的异步方法里既有同步业务又有异步业务(开启新线程或者系统类库提供异步方法)，那么同步方法那部分的时间在调用的时候是会阻塞主线程的，即主线程要等待这部分同步业务执行完才能往下执行。

如【案例7】耗时：同步操作之和 2s+2s + Max(3s,5s)=9s;

//同步耗时操作和异步方法同时封装
private static async Task<String> NewMethod7Async()
{
//调用异步方法之前还有一个耗时操作
Thread.Sleep(2000);

//下面的操作耗时3s
HttpClient http = new HttpClient();
var httpContent = new StringContent("", Encoding.UTF8, "application/json");
//执行业务
var r1 = await http.PostAsync("http://localhost:2788/Home/GetMsg1", httpContent);
return r1.Content.ReadAsStringAsync().Result;
}
private static async Task<String> NewMethod8Async()
{
//调用异步方法之前还有一个耗时操作
Thread.Sleep(2000);

//下面的操作耗时5s
HttpClient http = new HttpClient();
var httpContent = new StringContent("", Encoding.UTF8, "application/json");
//执行业务
var r1 = await http.PostAsync("http://localhost:2788/Home/GetMsg2", httpContent);
return r1.Content.ReadAsStringAsync().Result;
}

#region 案例7(既有普通的耗时操作，也有系统本身的异步方法,耗时9s左右)
//且大约4s后才能输出 “我是主业务”，证明同步操作Thread.Sleep(2000); 阻塞主线程
{
Stopwatch watch = Stopwatch.StartNew();

Console.WriteLine("开始执行");
Task<string> t1 = NewMethod7Async();
Task<string> t2 = NewMethod8Async();

Console.WriteLine("我是主业务");
Console.WriteLine($"{t1.Result},{t2.Result}");
watch.Stop();
Console.WriteLine($"耗时：{watch.ElapsedMilliseconds}");
}
#endregion

证明：async封装的异步方法里的同步业务的时间会阻塞主线程，再次证明 await只能加在非阻止api和开启新线程的前面

② 如果封装的异步方法中存在等待的问题，而且不能阻塞主线程(不能用Thread.Sleep) , 这个时候可以用Task.Delay，并在前面加await关键字

如【案例8】耗时：Max（2+3 , 5+2）=7s

//利用Task.Delay(2000);等待
private static async Task<String> NewMethod11Async()
{
//调用异步方法之前需要等待2s
await Task.Delay(2000);

//下面的操作耗时3s
HttpClient http = new HttpClient();
var httpContent = new StringContent("", Encoding.UTF8, "application/json");
//执行业务
var r1 = await http.PostAsync("http://localhost:2788/Home/GetMsg1", httpContent);
return r1.Content.ReadAsStringAsync().Result;
}

private static async Task<String> NewMethod12Async()
{
//调用异步方法之前需要等待2s
await Task.Delay(2000);

//下面的操作耗时5s
HttpClient http = new HttpClient();
var httpContent = new StringContent("", Encoding.UTF8, "application/json");
//执行业务
var r1 = await http.PostAsync("http://localhost:2788/Home/GetMsg2", httpContent);
return r1.Content.ReadAsStringAsync().Result;
}

#region 案例8(利用Task.Delay执行异步方法的等待操作)
//结果是7s，且马上输出“我是主业务”，说明Task.Delay(),单独开启一个线程，不阻塞主线程。
{
Stopwatch watch = Stopwatch.StartNew();
Console.WriteLine("开始执行");
Task<string> t1 = NewMethod11Async();
Task<string> t2 = NewMethod12Async();

Console.WriteLine("我是主业务");
Console.WriteLine($"{t1.Result},{t2.Result}");
watch.Stop();
Console.WriteLine($"耗时：{watch.ElapsedMilliseconds}");
}
#endregion

三. 异步方法返回类型

1. Task<T>, 处理含有返回值的异步方法，通过 .Result 等待异步方法执行完，且获取到返回值。

2. Task：调用方法不需要从异步方法中取返回值，但是希望检查异步方法的状态，那么可以选择可以返回 Task 类型的对象。不过，就算异步方法中包含 return 语句，也不会返回任何东西。

如【案例9】

//返回值为Task的方法
private static async Task NewMethod9Async()
{
//下面的操作耗时3s
HttpClient http = new HttpClient();
var httpContent = new StringContent("", Encoding.UTF8, "application/json");
//执行业务
var r1 = await http.PostAsync("http://localhost:2788/Home/GetMsg1", httpContent);
Console.WriteLine("NewMethod9Async执行完成");
}

#region 案例9(返回值为Task的异步方法)
//结果是5s，说明异步方法和主线程的同步方法在并行执行
{
Stopwatch watch = Stopwatch.StartNew();

Console.WriteLine("开始执行");
Task t = NewMethod9Async();

Console.WriteLine($"{nameof(t.Status)}: {t.Status}"); //任务状态
Console.WriteLine($"{nameof(t.IsCompleted)}: {t.IsCompleted}"); //任务完成状态标识
Console.WriteLine($"{nameof(t.IsFaulted)}: {t.IsFaulted}"); //任务是否有未处理的异常标识

//执行其他耗时操作，与此同时NewMethod9Async也在工作
Thread.Sleep(5000);

Console.WriteLine("我是主业务");

t.Wait();

Console.WriteLine($"{nameof(t.Status)}: {t.Status}"); //任务状态
Console.WriteLine($"{nameof(t.IsCompleted)}: {t.IsCompleted}"); //任务完成状态标识
Console.WriteLine($"{nameof(t.IsFaulted)}: {t.IsFaulted}"); //任务是否有未处理的异常标识

Console.WriteLine($"所有业务执行完成了");
watch.Stop();
Console.WriteLine($"耗时：{watch.ElapsedMilliseconds}");
}
#endregion

PS：对于Task返回值的异步方法，可以调用Wait(),等待该异步方法执行完，他和await不同，await必须出现在async关键字封装的方法中。

3. void：调用异步执行方法，不需要做任何交互

如【案例10】

//返回值是Void的方法
private static async void NewMethod10Async()
{
//下面的操作耗时5s
HttpClient http = new HttpClient();
var httpContent = new StringContent("", Encoding.UTF8, "application/json");
//执行业务，假设这里主需要请求，不需要做任何交互
var r1 = await http.PostAsync("http://localhost:2788/Home/GetMsg1", httpContent);
Console.WriteLine("NewMethod10Async执行完成");
}

#region 案例10(返回值为Void的异步方法)
//结果是5s，说明异步方法和主线程的同步方法在并行执行
{
Stopwatch watch = Stopwatch.StartNew();
Console.WriteLine("开始执行");
NewMethod10Async();
//执行其他耗时操作，与此同时NewMethod9Async也在工作
Thread.Sleep(5000);
Console.WriteLine("我是主业务");
Console.WriteLine($"所有业务执行完成了");
watch.Stop();
Console.WriteLine($"耗时：{watch.ElapsedMilliseconds}");
}
#endregion

四. 几个结论

1、异步方法到底开不开起新线程？

异步和等待关键字不会导致其他线程创建。因为异步方法本身并不会运行的线程，异步方法不需要多线程。只有 + 当方法处于活动状态，则方法在当前同步上下文中运行并使用在线程的时间。可以使用 Task.Run 移动 CPU 工作移到后台线程，但是，后台线程不利于等待结果变得可用处理。（来自MSDN原话）

2、async和await是一种异步编程模型，它本身并不能开启新线程，多用于将一些非阻止API或者开启新线程的操作封装起来，使其调用的时候像同步方法一样使用。

下面补充博客园dudu的解释，方便大家理解。

PS：如果你想了解多线程的其他知识，请查阅：那些年我们一起追逐的多线程(Thread、ThreadPool、委托异步调用、Task/TaskFactory、Parallerl、async和await)（https://www.cnblogs.com/yaopengfei/p/9206924.html）

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