本文主要分為三個部分：

1、語法格式

2、線程調度情況

3、編程注意事項

4、練一練

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異步編程（Task Asynchronous Programming，TAP），一種編程模式（Task-based Asynchronous Pattern）。

TAP 是 .NET 中推薦的異步編程模式，基于 Task 和 Task<TResult> 類型，用于表示異步。

異步編程一般應對兩種場景，一是 I/O 綁定，當需要網絡連接（連接數據庫或讀寫到文件系統等）等耗時長的任務；二是 CPU 綁定，需要耗時長的計算。

1、簡單的語法格式

.net 一直在為開發人員簡化和標準化異步的寫法，從 .net 4.5 開始就已經支持使用 aysnc 和 await 的關鍵字。

異步的語法格式如下：

private async Task<TResult> DoSomeStuffAsync(..)

{

     ..

    await ..

    ..

}

l  關鍵詞 async 本身不具備什么意義，只是裝飾，當方法冠以 async 關鍵詞，方法體內允許使用 await

l  await 是標記需要等待的地方，但其本質并非阻塞線程。

l  “非阻止操作”：指當運行到 await 時，會把當前線程返回到上一級調用者繼續執行，如果沒有上一級調用者，則該線程當場釋放。

l  異步方法返回的值總是 Task 的實例，可以是 Task 類型或 Task<TResult>，其中 TResult 是執行的方法的返回類型

l  如果直接拿異步方法的結果，形如 var obj = GetSomethingAsync()，這個 obj 是一個 Task 對象，其中 obj.AsyncStatus，obj.Result 可見執行情況

l  await + 執行異步方法，形如 await GetSomethingAsync() 會得到 TResult 實例

l  直接使用 task.Result 得到的任務結果其狀態是未知的，應該使用 await task，保證任務是 Completed 的

l  一般地，異步方法的名字需要添加后綴 Async，以便于寫代碼的時候區分開同步方法和異步方法

l  等待異步任務的執行過程中，如果其中發生了錯誤，該異步任務的外層 try catch 會捕捉到，它也是一種任務結果

2、異步運行機制，線程調度

觀察以下代碼，思考一下控制臺會輸出什么？

public static async Task Main(string[] args)
{
    logMessage("Main <<----");
    var task = GetUrlContentLengthAsync();
    logMessage("Main ---->>");
    await task;
    logMessage("ALL COMPLETED");
}

static async Task<int> GetUrlContentLengthAsync()
{
    logMessage("GetUrlContentLengthAsync start ");

    using var client = new HttpClient();
    Task<string> getStringTask = client.GetStringAsync("https://learn.microsoft.com/dotnet");

    // Do some independent work..

    var contents = await getStringTask;

    logMessage("GetUrlContentLengthAsync end ");
    return contents.Length;
}

static void logMessage(string msg)
{
    Console.WriteLine($"{DateTime.Now.ToString("MM-dd HH:mm:ss.fff")} [{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] {msg}");
}

打印結果：

11-18 18:34:34.563 [1] Main <<----
11-18 18:34:34.632 [1] GetUrlContentLengthAsync start
11-18 18:34:34.810 [1] Main ---->>
11-18 18:34:37.283 [7] GetUrlContentLengthAsync end
11-18 18:34:37.286 [7] ALL COMPLETED

先分析一下 GetUrlContentLengthAsync 這個異步方法，簡單歸納會存在以下步驟：

1. httpClient.GetStringAsync 發起 HTTP 請求，并立即返回一個未完成的任務。
2. await 關鍵字會暫停 GetStringAsync 方法的執行，并將控制權返回給調用方。
3. 任務調度器通過操作系統的通知機制來監聽 HTTP 請求的響應。
4. 操作系統在后臺監控 I/O 操作的狀態，并在操作完成時通知應用程序。
5. 任務調度器隨后選擇一個可用的線程來繼續執行 異步方法的剩余部分（await 之后）。

線程運行過程如下：

* HTTP 請求是一個 I/O 操作，操作系統會通過 I/O 完成端口（IOCP）來處理這些操作。

* IOCP 是一種高效的機制，用于處理異步 I/O 操作。它允許操作系統在 I/O 操作完成時通知應用程序。

3、注意事項

l  如果調用了 異步方法，一定要 await 任務執行結果

反面示例：

public static async Task Main(string[] args)
{
    logMessage("Main <<----");

    // fault example: if do not wait the result then we will do not know what happened on it
    GetSomeStuff();

    logMessage("Main ---->>");
} 

這個異步任務已經在執行，但是卻沒有后續處理，不知道是成功或是失敗，又或者一直在執行沒有辦法停止，這是危險的。

l  避免使用 task.Result，應該使用 await 

l  是否線程安全

異步編程的機制，允許到正在處理一個請求時，同時存在多個線程在處理操作，如果在對同一個對象做寫入操作，這是危險的。

所以并行時的任務最好是沒有關系的。

如果使用鎖，需要考慮是否會導致死鎖的問題。

l  異步編程可能會增加代碼復雜度，慎重取舍

異步編程并不一定帶來性能提升，畢竟上下文切換也是有開銷的，對于簡單的任務可能一條線做完的方式更合適。

4、練一練

以下代碼有什么問題？

public async Task<ResultResponse> ValidateReceiptAsync(List<Guid> customerIds, ReceiptRequest request, CancellationToken cancellationToken)
{
    var tokenTask = _medicalCheckServiceHelper.GetServiceToken(cancellationToken);
    
    var medicalProvidersTask = _medicalProviderRepo.GetMedicalProvidersNames();

    var customersTask = _customerService.GetByIdsAsync(customerIds);
    
    var checkResults = await Task.WhenAll(request.UuidList.Select(uuid => _medicalCheckServiceHelper.GetResultAsync(uuid, tokenTask.Result, cancellationToken)));

    return await ConsolidateReceiptsResult(medicalProvidersTask.Result, checkResults, await customersTask);
} 

思考一下

• 1. tokenTask.Result 在任務完成之前訪問會導致阻塞，應該在 await tokenTask 之后再訪問。

• 2. 確認哪些可以并行處理，注意線程安全

這里有 4 個任務，分別是 獲取 token（假作 taskA）、獲取治療廠商（taskB）、獲取用戶信息（taskC）、獲取檢查結果（taskD）
其中，taskD 依賴于 taskA ；現在需要確定 taskA、taskB、taskC 之間的依賴關系。

• • a. 假設真實場景如下：
    • i. taskA 取自于配置中心，也即它會走 HTTP 請求
    • ii. taskD 是一個第三方接口，也即一個 HTTP 請求
    • iii. taskB 和 taskC 取自同一個數據庫，并且它們共用了一個數據庫連接的上下文

那么可能的修改是這樣的：

public async Task<ResultResponse> ValidateReceiptAsync(List<string> customerIds, ReceiptRequest request, CancellationToken cancellationToken)
{
    var tokenTask = _medicalCheckServiceHelper.GetServiceToken(cancellationToken);
    var medicalProvidersTask = _medicalProviderRepo.GetMedicalProvidersNames();

    var token = await tokenTask;
    var checkResults = await Task.WhenAll(request.UuidList.Select(uuid => _medicalCheckServiceHelper.GetResultAsync(uuid, token, cancellationToken)));
    
    var medicalProviders = await medicalProvidersTask;
    var customers = await _customerService.GetByIdsAsync(customerIds);

    return await ConsolidateReceiptsResult(medicalProviders, checkResults, customers);
}

• • b. 假設真實場景如下：
    • i. taskA 取自于配置中心，也即它會走 HTTP 請求
    • ii. taskD 是一個第三方接口，也即一個 HTTP 請求
    • iii. taskB 和 taskC 取自不同數據庫或不同的 HTTP 請求，它們相互獨立

那么可能的修改是這樣的：

public async Task<ResultResponse> ValidateReceiptAsync(List<string> customerIds, ReceiptRequest request, CancellationToken cancellationToken)
{
    var tokenTask = _medicalCheckServiceHelper.GetServiceToken(cancellationToken);
    var medicalProvidersTask = _medicalProviderRepo.GetMedicalProvidersNames();
    var customersTask = _customerService.GetByIdsAsync(customerIds);

    var token = await tokenTask;
    var checkResultsTask = Task.WhenAll(request.UuidList.Select(uuid => _medicalCheckServiceHelper.GetResultAsync(uuid, token, cancellationToken)));

    var medicalProviders = await medicalProvidersTask;
    var customers = await customersTask;
    var checkResults = await checkResultsTask;
    return await ConsolidateReceiptsResult(medicalProviders, checkResults, customers);
}

但其實并不盡完善，因為這種寫法的可讀性并沒有那么好，看起來更追求資源優化。
所以說引入了 異步編程 的話，代碼是會變復雜的，每寫一步都需要慎重考慮。

Reference:

[1] The Task Asynchronous Programming (TAP) model with async and await" - C# | Microsoft Learn

[2] Asynchronous programming scenarios - C# | Microsoft Learn

[3] Asynchronous programming - C# | Microsoft Learn