走進異步程式設計的世界 - 開始接觸 async/await
序
這是學習異步程式設計的入門篇。
涉及 C# 5.0 引入的 async/await，但在控制台輸出示例時經常會采用 C# 6.0 的 $"" 來拼接字元串，相當于string.Format() 方法。
目錄
- What's 異步？
- async/await 結構
- What’s 異步方法？
一、What's 異步？
啟動程式時，系統會在記憶體中建立一個新的程序。程序是構成運作程式資源的集合。
在程序内部，有稱為線程的核心對象，它代表的是真正的執行程式。系統會在 Main 方法的第一行語句就開始線程的執行。
線程：
①預設情況，一個程序隻包含一個線程，從程式的開始到執行結束；
②線程可以派生自其它線程，是以一個程序可以包含不同狀态的多個線程，來執行程式的不同部分；
③一個程序中的多個線程，将共享該程序的資源；
④系統為處理器執行所規劃的單元是線程，而非程序。
一般來說我們寫的控制台程式都隻使用了一個線程，從第一條語句按順序執行到最後一條。但在很多的情況下，這種簡單的模型會在性能或使用者體驗上不好。
例如：伺服器要同時處理來自多個用戶端程式的請求，又要等待資料庫和其它裝置的響應，這将嚴重影響性能。程式不應該将時間浪費在響應上，而要在等待的同時執行其它任務！
現在我們開始進入異步程式設計。在異步程式中，代碼不需要按照編寫時的順序執行。這時我們需要用到 C# 5.0 引入的 async/await 來建構異步方法。
我們先看一下不用異步的示例：
1 class Program
2 {
3 //建立計時器
4 private static readonly Stopwatch Watch = new Stopwatch();
5
6 private static void Main(string[] args)
7 {
8 //啟動計時器
9 Watch.Start();
10
11 const string url1 = "http://www.cnblogs.com/";
12 const string url2 = "http://www.cnblogs.com/liqingwen/";
13
14 //兩次調用 CountCharacters 方法（下載下傳某網站内容，并統計字元的個數）
15 var result1 = CountCharacters(1, url1);
16 var result2 = CountCharacters(2, url2);
17
18 //三次調用 ExtraOperation 方法（主要是通過拼接字元串達到耗時操作）
19 for (var i = 0; i < 3; i++)
20 {
21 ExtraOperation(i + 1);
22 }
23
24 //控制台輸出
25 Console.WriteLine($"{url1} 的字元個數：{result1}");
26 Console.WriteLine($"{url2} 的字元個數：{result2}");
27
28 Console.Read();
29 }
30
31 /// <summary>
32 /// 統計字元個數
33 /// </summary>
34 /// <param name="id"></param>
35 /// <param name="address"></param>
36 /// <returns></returns>
37 private static int CountCharacters(int id, string address)
38 {
39 var wc = new WebClient();
40 Console.WriteLine($"開始調用 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
41
42 var result = wc.DownloadString(address);
43 Console.WriteLine($"調用完成 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
44
45 return result.Length;
46 }
47
48 /// <summary>
49 /// 額外操作
50 /// </summary>
51 /// <param name="id"></param>
52 private static void ExtraOperation(int id)
53 {
54 //這裡是通過拼接字元串進行一些相對耗時的操作
55 var s = "";
56
57 for (var i = 0; i < 6000; i++)
58 {
59 s += i;
60 }
61
62 Console.WriteLine($"id = {id} 的 ExtraOperation 方法完成：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
63 }
64 } 
圖1-1 運作的效果圖，以毫秒（ms）為機關
【備注】一般來說，直接拼接字元串是一種比較耗性能的手段，如果對字元串拼接有性能要求的話應該使用 StringBuilder。
【注意】每次運作的結果可能不同。不管哪次調試，絕大部分時間都浪費前兩次調用（CountCharacters 方法），即在等待網站的響應上。
圖1-2 根據執行結果所畫的時間軸
有人曾幻想着這樣提高性能的方法：在調用 A 方法時，不等它執行完，直接執行 B 方法，然後等 A 方法執行完成再處理。
C# 的 async/await 就可以允許我們這麼弄。
1 class Program
2 {
3 //建立計時器
4 private static readonly Stopwatch Watch = new Stopwatch();
5
6 private static void Main(string[] args)
7 {
8 //啟動計時器
9 Watch.Start();
10
11 const string url1 = "http://www.cnblogs.com/";
12 const string url2 = "http://www.cnblogs.com/liqingwen/";
13
14 //兩次調用 CountCharactersAsync 方法（異步下載下傳某網站内容，并統計字元的個數）
15 Task<int> t1 = CountCharactersAsync(1, url1);
16 Task<int> t2 = CountCharactersAsync(2, url2);
17
18 //三次調用 ExtraOperation 方法（主要是通過拼接字元串達到耗時操作）
19 for (var i = 0; i < 3; i++)
20 {
21 ExtraOperation(i + 1);
22 }
23
24 //控制台輸出
25 Console.WriteLine($"{url1} 的字元個數：{t1.Result}");
26 Console.WriteLine($"{url2} 的字元個數：{t2.Result}");
27
28 Console.Read();
29 }
30
31 /// <summary>
32 /// 統計字元個數
33 /// </summary>
34 /// <param name="id"></param>
35 /// <param name="address"></param>
36 /// <returns></returns>
37 private static async Task<int> CountCharactersAsync(int id, string address)
38 {
39 var wc = new WebClient();
40 Console.WriteLine($"開始調用 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
41
42 var result = await wc.DownloadStringTaskAsync(address);
43 Console.WriteLine($"調用完成 id = {id}：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
44
45 return result.Length;
46 }
47
48 /// <summary>
49 /// 額外操作
50 /// </summary>
51 /// <param name="id"></param>
52 private static void ExtraOperation(int id)
53 {
54 //這裡是通過拼接字元串進行一些相對耗時的操作
55 var s = "";
56
57 for (var i = 0; i < 6000; i++)
58 {
59 s += i;
60 }
61
62 Console.WriteLine($"id = {id} 的 ExtraOperation 方法完成：{Watch.ElapsedMilliseconds} ms");
63 }
64 } 這是修改後的代碼
圖1-3 修改後的執行結果圖
圖1-4 根據加入異步後的執行結果畫的時間軸。
我們觀察時間軸發現，新版代碼比舊版快了不少（由于網絡波動的原因，很可能會出現耗時比之前長的情況）。這是由于 ExtraOperation 方法的數次調用是在 CountCharactersAsync 方法調用時等待響應的過程中進行的。所有的工作都是在主線程中完成的，沒有建立新的線程。
【改動分析】隻改了幾個細節的地方，直接展開代碼的話可能看不出來，改動如下：
圖1-5
圖1-6
①從 Main 方法執行到 CountCharactersAsync(1, url1) 方法時，該方法會立即傳回，然後才會調用它内部的方法開始下載下傳内容。該方法傳回的是一個 Task<int> 類型的占位符對象，表示計劃進行的工作。這個占位符最終會傳回 int 類型的值。
②這樣就可以不必等 CountCharactersAsync(1, url1) 方法執行完成就可以繼續進行下一步操作。到執行 CountCharactersAsync(2, url2) 方法時，跟 ① 一樣傳回 Task<int> 對象。
③然後，Main 方法繼續執行三次 ExtraOperation 方法，同時兩次 CountCharactersAsync 方法依然在持續工作 。
④t1.Result 和 t2.Result 是指從 CountCharactersAsync 方法調用的 Task<int> 對象取結果，如果還沒有結果的話，将阻塞，直有結果傳回為止。
二、async/await 結構
先解析一下專業名詞：
同步方法：一個程式調用某個方法，等到其執行完成之後才進行下一步操作。這也是預設的形式。
異步方法：一個程式調用某個方法，在處理完成之前就傳回該方法。通過 async/await 我們就可以實作這種類型的方法。
async/await 結構可分成三部分：
（1）調用方法：該方法調用異步方法，然後在異步方法執行其任務的時候繼續執行；
（2）異步方法：該方法異步執行工作，然後立刻傳回到調用方法；
（3）await 表達式：用于異步方法内部，指出需要異步執行的任務。一個異步方法可以包含多個 await 表達式（不存在 await 表達式的話 IDE 會發出警告）。
現在我們來分析一下示例。
圖2-1
三、What’s 異步方法
異步方法：在執行完成前立即傳回調用方法，在調用方法繼續執行的過程中完成任務。
文法分析：
（1）關鍵字：方法頭使用 async 修飾。
（2）要求：包含 N（N>0） 個 await 表達式（不存在 await 表達式的話 IDE 會發出警告），表示需要異步執行的任務。
（3）傳回類型：隻能傳回 3 種類型（void、Task 和 Task<T>）。Task 和 Task<T> 辨別傳回的對象會在将來完成工作，表示調用方法和異步方法可以繼續執行。
（4）參數：數量不限，但不能使用 out 和 ref 關鍵字。
（5）命名約定：方法字尾名應以 Async 結尾。
（6）其它：匿名方法和 Lambda 表達式也可以作為異步對象；async 是一個上下文關鍵字；關鍵字 async 必須在傳回類型前。
圖3-1 異步方法的簡單結構圖
小結
1.解析了程序和線程的概念
2.異步的簡單用法
3.async/await 結構體
4.異步方法文法結構
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下篇：《走進異步程式設計的世界 - 剖析異步方法（上）》《走進異步程式設計的世界 - 剖析異步方法（下）》
後篇：《走進異步程式設計的世界 - 在 GUI 中執行異步操作》
本文首聯：http://www.cnblogs.com/liqingwen/p/5831951.html
【參考】《Illustrated C# 2012》