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一文看懂"async"和“await”關(guān)鍵詞是如何簡化了C#中多線程的開發(fā)過程

當(dāng)我們使用需要長時間運行的方法（即，用于讀取大文件或從網(wǎng)絡(luò)下載大量資源）時，在同步的應(yīng)用程序中，應(yīng)用程序本身將停止運行，直到活動完成。在這些情況下，異步編程非常有用：它使我們能夠并行執(zhí)行不同任務(wù)，并在需要時等待其完成。

這種方法有許多不同的模型類型：APM（異步編程模型），基于事件（異步模型EAP），以及TAP，基于任務(wù)的（異步模型任務(wù)）。讓我們看看如何使用關(guān)鍵字async和await在C＃中實現(xiàn)第三個方法。

編寫異步代碼的主要問題之一是可維護性：實際上，許多人普遍認(rèn)為這種編程方法會使代碼復(fù)雜化。幸運的是，C＃5引入了一種簡化的方法，在該方法中，編譯器運行由開發(fā)人員先前完成的艱巨任務(wù)，并且應(yīng)用程序保留類似于同步代碼的邏輯結(jié)構(gòu)。

讓我們舉個例子。假設(shè)我們有一個.NET Core項目，我們應(yīng)該在其中管理三個實體：Area，Company和Resource。

public class Area{    public int Id { get; set; }
    [Required]    [StringLength(255)]    public string Name { get; set; }}
public class Company{    public int Id { get; set; }
    [Required]    [StringLength(255)]    public string Name { get; set; }}
public class Resource{    public int Id { get; set; }
    [Required]    [StringLength(255)]    public string Name { get; set; }}

現(xiàn)在假設(shè)我們應(yīng)該使用Entity Framework Core將這些實體的值保存在數(shù)據(jù)庫中。其DbContext是：

public class AppDbContext : DbContext{    public DbSet<Area> Areas { get; set; }    public DbSet<Company> Companies { get; set; }    public DbSet<Resource> Resources { get; set; }    public AppDbContext(DbContextOptions<AppDbContext> options) : base(options)  {}
    override protected void OnModelCreating(ModelBuilder modelBuilder)    {        modelBuilder.Entity<Area> ().HasData(            new Area { Id = 1, Name = "Area1"},            new Area { Id = 2, Name = "Area2"},            new Area { Id = 3, Name = "Area3"},            new Area { Id = 4, Name = "Area4"},            new Area { Id = 5, Name = "Area5"});        modelBuilder.Entity<Company> ().HasData(            new Area { Id = 1, Name = "Company1"},            new Area { Id = 2, Name = "Company2"},            new Area { Id = 3, Name = "Company3"},            new Area { Id = 4, Name = "Company4"},            new Area { Id = 5, Name = "Company5"});        modelBuilder.Entity<Resource>().HasData(            new Area { Id = 1, Name = "Resource1"},            new Area { Id = 2, Name = "Resource2"},            new Area { Id = 3, Name = "Resource3"},            new Area { Id = 4, Name = "Resource4"},            new Area { Id = 5, Name = "Resource5"});    }}

從代碼中可以看到，我們插入了一些示例數(shù)據(jù)進行處理?，F(xiàn)在假設(shè)我們要使用Controller API公開這些數(shù)據(jù)，既單獨（針對每個實體），又使用將它們?nèi)柯?lián)接在一起的方法，并通過一次調(diào)用返回它們。

使用同步方法，Controller API 將是：

[ApiController][Route("[controller]")]public class DataController : ControllerBase{    private readonly AppDbContext db = null;
    public DataController(AppDbContext db)    {        this.db = db;    }
    public IActionResult Get()    {        var areas = this.GetAreas();        var companies = this.GetCompanies();        var resources = this.GetResources();        return Ok(new { areas = areas, companies = companies, resources = resources });    }
    [Route("areas")]    public Area[] GetAreas()     {        return this.db.Areas.ToArray();    }
    [Route("companies")]    public Company[] GetCompanies()     {        return this.db.Companies.ToArray();    }
    [Route("resources")]    public Resource[] GetResources()     {        return this.db.Resources.ToArray();    }}

Get（）方法在其中調(diào)用返回單個結(jié)果的三個方法，并等待每個方法的執(zhí)行完成后再傳遞到下一個結(jié)果。這三種方法互不相關(guān)，因此您無需等待其中一種方法的執(zhí)行即可調(diào)用另一種方法。然后，您可以創(chuàng)建三個獨立的任務(wù)以并行執(zhí)行。
第一種方法可以基于該方法Task.Run()作業(yè)運行在線程池之上，并返回一個任務(wù)對象，它代表了這項工作。這樣，方法可以在線程池的不同線程上同時運行：

public IActionResult Get(){    var areas = Task.Run(() = > this.GetAreas());    var companies = Task.Run(() = > this.GetCompanies());    var resources = Task.Run(() = > this.GetResources());            Task.WhenAll(areas, companies, resources);    return Ok(new { areas = areas.Result, companies = companies.Result, resources = resources.Result });}

Task的Result屬性包含詳細說明的結(jié)果。方法WhenAll允許暫停當(dāng)前線程執(zhí)行，直到所有Task完成。運行代碼，我們可以注意到一個有趣的事情：調(diào)用中斷，并啟動以下異常：

AggregateException：發(fā)生一個或多個錯誤。（在上一個操作完成之前，第二個操作在此上下文上開始。這通常是由使用相同DbContext實例的不同線程引起的。有關(guān)如何避免DbContext線程問題的更多信息，請參見https://go.microsoft.com/fwlink/?linkid=2097913。^[1]）

此錯誤消息告訴我們，方法在不同的線程上同時執(zhí)行，但是由于它們使用與DbContext?相同的實例來連接數(shù)據(jù)庫，因此引發(fā)了異常，DbContext類無法確保線程安全的功能：我們可以輕松地繞過此問題，避免了.NET Core 的依賴注入引擎創(chuàng)建單個實例，而我們?yōu)槊糠N方法創(chuàng)建了單獨的實例。作為示例，讓我們看看方法GetAreas（）會如何變化：

public class DataController : ControllerBase{    private readonly DbContextOptionsBuilder <AppDbContext> optionsBuilder = null;
    public DataController(IConfiguration configuration)    {        this.optionsBuilder = new DbContextOptionsBuilder <AppDbContext> ()            .UseSqlite(configuration.GetConnectionString("DefaultConnection"));    }
    [Route("areas")]    public Area[] GetAreas()     {        using(var db = new AppDbContext(this.optionsBuilder.Options))        {            return db.Areas.ToArray();        }    }}

好吧，現(xiàn)在可以了。我們應(yīng)該注意，EFCore提供了一些方法，例如，與方法ToArrayAsync一樣，使用相同的DbContext進行異步調(diào)用，該方法從IQueryable 創(chuàng)建一個數(shù)組，該數(shù)組? 異步枚舉它。此方法返回Task ，它是表示異步操作的活動。

這樣，我們不再需要使用Task.Run（）：?

public IActionResult Get(){    var areas = this.GetAreas();    var companies = this.GetCompanies();    var resources = this.GetResources();    Task.WhenAll(areas, companies, resources);    return Ok(new { areas = areas.Result, companies = companies.Result, resources = resources.Result });}
[Route("areas")]public Task<Area[]> GetAreas() {    return db.Areas.ToArrayAsync();}

無論如何，Microsoft不能保證這些異步方法在每種情況下都能工作，因為DbContext尚未設(shè)計為線程安全的。您可以查詢此鏈接以獲取更多信息：https?:?//docs.microsoft.com/zh-cn/ef/core/querying/async

使用Entity Framework Core時，最佳實踐是在啟動另一個異步操作之前，為每個異步操作都擁有一個DbContext或等待每個異步操作完成。當(dāng)我們必須進行異步調(diào)用并返回結(jié)果時，這種最佳做法是可以的。

但是，如果我們想在返回結(jié)果之前對結(jié)果進行一些操作，會發(fā)生什么？如果我們想向列表中添加元素怎么辦？我們應(yīng)該等待結(jié)果，添加元素，然后返回修改后的列表：

[Route("companies")]public Task<Company[]> GetCompanies() {    using (var db = new AppDbContext(this.optionsBuilder.Options))    {        var data = this.db.Companies.ToListAsync().Result;        data.Insert(0, new Company() { Id = 0, Name = "-"});        return data.ToArray();    }}

不幸的是，該代碼無法編譯，因為data.ToArray（）返回的是數(shù)組而不是Task。實際上，這里我們需要三個線程：主調(diào)用方（Get（）），數(shù)據(jù)庫查詢（this.db.Companies.ToListAsync（））和一個線程，該線程將一個值添加到列表中。我們有三種方法可以做到這一點：讓我們用三種單一方法來查看它們。我們已經(jīng)看到的第一個，可以使用Task.Run（）方法：

[Route("companies")]public Task<Company[]> GetCompanies(){     return Task.Run(() =>     {          using (var db = new AppDbContext(this.optionsBuilder.Options))          {               var data = db.Companies.ToList();               data.Insert(0, new Company() { Id = 0, Name = "-" });               return data.ToArray();          }     });}

作為替代方案，我們可以使用方法ContinueWith（），該方法可以應(yīng)用于任務(wù)，并且可以在上一個方法完成后立即指定要運行的新任務(wù)：

[Route("resources")]public Task <Resource[]> GetResources(){     using (var db = new AppDbContext(this.optionsBuilder.Options))     {          return db.Resources.ToListAsync()              .ContinueWith(dataTask = >              {                   var data = dataTask.Result;                   dataTask.Result.Insert(0, new Resource() { Id = 0, Name = "-" });                   return data.ToArray();              });     }}

我們可以讓編譯器執(zhí)行“垃圾代碼”，并使用關(guān)鍵字async和await，這可以為我們創(chuàng)建Task：

[Route("areas")]public async Task <Area[]> GetAreas(){     using (var db = new AppDbContext(this.optionsBuilder.Options))     {          var data = await db.Areas.ToListAsync();          data.Insert(0, new Area() { Id = 0, Name = "-" });          return data.ToArray();     }}

正如您在最后一種方法中看到的那樣，代碼更加簡單，并且向我們隱藏了Task的創(chuàng)建，從而使我們可以異步返回。讓我們想象一下一個場景，其中調(diào)用不止一個，并且這種方法如何使一切變得更加線性。

重構(gòu)的作用是方法GetAreas（）已成為異步操作。這個事實意味著，當(dāng)不同的請求到達此API時，分配給該請求的線程池的線程將被釋放以供其他請求使用，直到DbContext終止數(shù)據(jù)提取為止。

我希望我能引起您足夠的興趣來深入分析該論點。在許多情況下，使用async和await非常方便，并且除了使代碼更加簡潔和線性外，還可以提高一般應(yīng)用程序的性能。

示例代碼見：

https：//github.com/fvastarella/Programmazione-asincrona-con-async-await

References

[1]?https:?https://docs.microsoft.com/en-us/ef/core/querying/async
[2]?//docs.microsoft.com/zh-cn/ef/core/querying/async:?https://docs.microsoft.com/en-us/ef/core/querying/async