Visual Studio Async CTP的實現原理淺析 – 如何不使用async和await關鍵字來實現Async

Async CTP為我們在單線程實現非同步作業開闢了一條大道，尤其對於SL中的WCF來說讓我們從繁瑣的事件處理中解脫出來，本來我想寫一個SL中使用Socket實現的RPC架構（正在我項目中使用)的系列筆記，不過有朋友提到了應該用Async CTP來規避WCF的非同步方法呼叫帶來的繁瑣，事實上Async CTP在我項目中還不夠靈活（應該是WCF對我的應用程式來說不夠靈活），不過還是先放下那個系列，先看看Async CTP可以做些什麼。

本文不會介紹Async CTP的使用方法，只分析在不改動SL CLR的基礎上編譯器如何根據async和await兩個關鍵字對我們的代碼做出正確的改動以達到單線程非同步作業。

關於單線程非同步可以參考 Programming user interfaces using F# workflows

要理解Async CTP強力推薦此文 Asynchronous Programming in C# using Iterators

先來看看AsyncCtpLibrary_Silverlight.dll中的幾個重要的類，在System.Runtime.CompilerServices命名空間中找出這幾個類AsyncMehodBuilder, AsyncMethodBuilder<TResult>, VoidAsyncMethodBuilder, TaskAWaiter, TaskAwaiter<TResult>，以及System.Threading.Tasks下面的Task, Task<TResult>看到名字基本可以知道是幹啥的了，簡單介紹一下：

AsyncMethodBuilder: 假如async被施加在一個Task對象之前，編譯器使用這個類。

AsyncMethodBuilder<TResult>: 假如async被施加在Task<TResult>之前， 編譯器使用這個類。

VoidAsyncMethodBuilder: async被施加在一個方法聲明之前，編譯器使用這個類。（因此只有傳回值是void的方法能加async關鍵字）

TaskAwaiter: 對應在Task對象之前的await關鍵字。

TaskAwaiter<TResult>：對應在Task<TResult>對象之前的await關鍵字。

Task、Task<TResult>：對應兩個await。

為了實現async，await編譯器將每個被async關鍵字標記的方法編譯為一個方法所在類的一個內嵌類，所有在方法體內出現的變數會被聲明為這個類的field，如果是一個執行個體方法，那麼this所代表的對象也被聲明為一個field。這個類有兩個核心成員：一個int來儲存代碼執行到那一步，暫且叫它step，一個方法來執行真正的動作，暫且叫做NextStep，整個邏輯看起來應該是這樣的：

   1:  public void NextStep()

   2:  {

   3:      switch (step)

   4:      {

   5:          case 1:

   6:              ...

   7:              step++;

   8:              break;

   9:          case 2:

  10:              ...

  11:              step++;

  12:              break;

  13:          case 3:

  14:              ....

  15:              step++;

  16:              break;

  17:          .

  18:          .

  19:          .

  20:      }

  21:  }

是不是覺得和yield return很像？

而在async標記的方法大體是如此，假設方法被編譯為一個命為AsyncMethodClass的類：

   1:  AsyncMethodClass a = new AsyncMethodClass();

   2:  a.xxx = xxx;

   3:  a.yyy = yyy;

   4:  .

   5:  .

   6:  .

   7:  a.NextStep();

那麼編譯根據什麼來決定一個方法分成幾個塊呢？實際上，編譯器根據一個async方法中出現的await關鍵字來進行分布，假如有一個await，那麼應該有2個Step，假如有2個await，那麼應該有3個Step。每一個Step，應該是以上一個Step中的await的EndWait開始（第一個Step除外），並以下一await的BeginWait結束（最後一個Step除外）。看到這裡就理解了為什麼async只能被標記在無傳回值的函數上，因為NextStep函數必須要是一個無傳回值的Action類型，傳遞給await的BeginWait方法，因此在上述代碼中，在最後的第7行沒有辦法使用理論上的：

   1:  return a.NextStep();

弄明白了編譯器乾的活之後，最後來看一個執行個體，來自於Async CTP Samples的片段：

   1:          public async void AsyncIntroSerial()

   2:          {

   3:              var client = new WebClient();

   4:   

   5:              WriteLinePageTitle(await client.DownloadStringTaskAsync(new Uri("http://www.weather.gov")));

   6:              WriteLinePageTitle(await client.DownloadStringTaskAsync(new Uri("http://www.weather.gov/climate/")));

   7:              WriteLinePageTitle(await client.DownloadStringTaskAsync(new Uri("http://www.weather.gov/rss/")));

   8:          }

經過上面的理論，不使用async和await關鍵字，改寫如下：

   1:          TaskAwaiter<string> wait1;

   2:          TaskAwaiter<string> wait2;

   3:          TaskAwaiter<string> wait3;

   4:          int step = 0;

   5:          WebClient wc = new WebClient();

   6:          private void AsyncMethodWithoutKeywords()

   7:          {

   8:              switch (step)

   9:              {

  10:                  case 0:

  11:                      Task<string> t1 = wc.DownloadStringTaskAsync(new Uri("http://www.weather.gov"));

  12:                      step++;

  13:                      wait1 = t1.GetAwaiter<string>();

  14:                      wait1.BeginAwait(new Action(AsyncMethodWithoutKeywords));

  15:                      break;

  16:                  case 1:

  17:                      WriteLinePageTitle(wait1.EndAwait());

  18:                      Task<string> t2 = wc.DownloadStringTaskAsync(new Uri("http://www.weather.gov/climate/"));

  19:                      step++;

  20:                      wait2 = t2.GetAwaiter<string>();

  21:                      wait2.BeginAwait(new Action(AsyncMethodWithoutKeywords));

  22:                      break;

  23:                  case 2:

  24:                      WriteLinePageTitle(wait2.EndAwait());

  25:                      Task<string> t3 = wc.DownloadStringTaskAsync(new Uri("http://www.weather.gov/rss/"));

  26:                      step++;

  27:                      wait3 = t3.GetAwaiter<string>();

  28:                      wait3.BeginAwait(new Action(AsyncMethodWithoutKeywords));

  29:                      break;

  30:                  case 4:

  31:                      WriteLinePageTitle(wait3.EndAwait());

  32:                      break;

  33:              }

  34:          }

可以發現，執行結果和使用async和await一樣。

Async CTP的核心其實是Task的設計，CTP庫為WebClient和WCF實現了Async到Task的工作，對於項目中出現自訂的一些方法則需要自己去定義Task，不過通過自己的方法定義Task，並且使用本文所描述的方法進行封裝（尤其是在原先使用Emit或者使用dynamic關鍵字來做AOP的場合），那麼可以拋開aysnc和await關鍵字，阻止編譯器對代碼的改動，這樣的好處是斷點調試可以正常進行。