(注：这是我在系科协写的第一篇 Weekly (面向所有同学的介绍类文章), 那就同步到这里来吧~)

一、什么是异步编程

请不要着急，在介绍异步编程前，让我们先耐心了解一下下面的几个概念，虽然可能会有些枯燥，但这对后面的学习是非常有必要的。

概念一进程与线程、并发

进程 (process), 是运行中的可执行程序的实例。打开“任务管理器”，你会看到许多进程。如果你切换到“详细信息”选项卡，你还会看到每个进程含有的“线程”数目（如果看不到可以右键列表标题栏，在“选择列”中勾选“线程”）。那么“线程”又是什么呢？

任务管理器中显示的进程与线程信息

线程 (thread), 是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。默认情况，一个进程只包含一个线程，从程序的开始到执行结束。但线程可以派生自其它线程，并且它们共享该进程所拥有的全部资源。所以一个进程可以包含不同状态的多个线程，来执行程序的不同部分，最重要的是，它们是并发执行的。

所以“并发”是什么意思呢？想一想你平常使用电脑的时候，是不是能够一边听音乐一边上网呢？这种看上去像是在同时执行的情形就是所谓的“并发”（之所以说“看上去”是因为大多数情况下各线程所含的指令只是在逻辑上是同时执行的，而在物理上并不是真正地同时执行的（即不是并行的），这涉及到现代操作系统的 CPU 调度机制，有兴趣的同学可以去了解）。

所以说，线程的并发性不仅使得我们能够同时运行不同的程序，还保证了每个程序能够通过多线程同时执行不同的任务，这是十分重要的。

概念二同步与异步、阻塞与非阻塞

同步 (synchronous/sync), 就是发起调用后，被调用者处理消息，必须等处理完才返回结果，没处理完之前是不返回的，调用者主动等待结果。

异步 (asynchronous/async), 就是发起调用后，被调用者直接返回，但是并没有返回结果，等处理完消息后，通过状态、通知或者回调函数来通知调用者，调用者被动接收结果。

阻塞 (blocking), 就是调用结果返回之前，该执行线程会被挂起，不释放 CPU 执行权，线程不能做其它事情，只能等待，只有等到调用结果返回了，才能接着往下执行。

非阻塞 (non-blocking), 就是在没有获取调用结果时，不是一直等待，线程可以往下执行，如果是同步的，通过轮询的方式检查有没有调用结果返回，如果是异步的，会通知回调。

初学者很容易混淆同步与阻塞、异步与非阻塞这两对概念。实际上，同步和异步关注的是消息通信机制，而阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态，所以两两组合就会形成四种情况。下面引用了一个经典的例子来帮助大家理解：

同步阻塞：老张在厨房用普通水壶烧水，一直在厨房等着（阻塞），盯到水烧开（同步）；

异步阻塞：老张在厨房用响水壶烧水，一直在厨房中等着（阻塞），直到水壶发出响声（异步），老张知道水烧开了；

同步非阻塞：老张在厨房用普通水壶烧水，在烧水过程中，就到客厅去看电视（非阻塞），然后时不时去厨房看看水烧开了没（轮询检查同步结果）；

异步非阻塞：老张在厨房用响水壶烧水，在烧水过程中，就到客厅去看电视（非阻塞），当水壶发出响声（异步），老张就知道水烧开了。

希望你已经理解了这些概念。如果暂时不理解也不要紧，你可以随时回来查阅，或者上网搜索以便更获得更详细、深入的描述。

编程模型

下面我们来介绍异步编程模型，为了帮助大家理解，我们先看一下常见的两种编程模型。下面的阐述中，假设我们的程序包含了三个相互独立的任务。

同步模型

这是最简单的编程方式。任何时候都只有一个任务在执行，并且前一个任务结束之后后一个任务才能开始。

多线程模型

在这个模型中，每个任务都在单独的线程中完成，而这些线程都是由操作系统来管理的（在单核 CPU 上交错运行，在多 CPU/多核心上中可能会独立地运行）。多线程编程实际上是较复杂的，我们将在后面提到原因。

下面就让我们隆重地推出本文的主角——异步模型。

异步模型

在这个模型中，三个任务在一个线程中交错执行。这比多线程模型简单，因为任意时刻，编程者总可以认为只有一个任务在执行，而其它的在停止状态；但多线程的任务在逻辑上是同时执行的（尽管在物理上可能不是），这会带来一些复杂性，比如需要通过线程间通信来协调进度。而且，由于线程是由操作系统管理的，程序员无法预知什么时刻某个线程会被暂时停止或者启动。

但在异步模型中，程序员无需考虑这些问题，因为所有的任务都在一个线程中运行，并且任务的交错都是由程序员设计的。这也是异步模型相比多线程模型来说最简洁的地方。

异步模型是可以和多线程模型组合使用的，不过本文不会重点提及，有兴趣的同学可以自己钻研。

二、什么时候需要异步编程

前面说了这么多，大家是不是感觉有点没劲，怎么到现在都还没讲到异步编程能干什么呢？别着急，最枯燥的地方已经讲完了，我们马上就会提到。

异步模型背后的基本思想是，异步程序在面对同步程序中通常会阻塞的任务时，会切换到其他可以继续执行的任务。仅当没有任何任务可以执行时，异步程序会阻塞。当一个任务完成，或者到达阻塞的状态时，程序会切换到另一个任务。直白地说，异步程序能够充分利用等待的时间。

请看下面这个例子。任务1、2、3已经由程序员分别划分为多个步骤，每个小块代表一个步骤，而灰色方块代表阻塞调用引起的等待。时间轴上方是同步模型，下方是异步模型。可以直观地看到，异步模型通过利用等待的时间完成其它任务，从而显著地减少了整个程序运行的时间。

Sync vs Async

总结一下，与同步模型相比，异步模型的优势在如下情况下会得到发挥：

程序有大量任务，所以任何时候总是有至少一个任务可以被执行。
任务执行大量的文件或网络 I/O 操作，这样同步模型就会因为任务阻塞而浪费大量的时间。
任务之间相互独立，以至于任务内部的交互很少。

三、C#中基于任务的异步编程 (TAP) 概述

前面的内容主要是原理性的，没有涉及到具体的编程语言。下面就让我们以 C# 为例，一起看一看 C# 中的异步编程吧！

.NET 提供了执行异步操作的三种模式：基于任务的异步模式 (TAP), 基于事件的异步模式 (EAP) 和异步编程模型 (APM) 模式。其中 TAP 是 Net Framework 4 中引入的，也是目前官方推荐的异步编程模式。本文只会涉及 TAP.

编写异步程序的传统技术是比较复杂的，不过好在 C# 5 引入了一种简便方法—— async programming, 使得我们能轻松编写异步代码，而无需头疼回调或异步库。

Async programming 的核心是 Task 和 Task<T> 对象，它们是异步操作的模型表示，受关键字 async 和 await 支配。Task 和 Task<T> 对象类似于 JavaScript 中的 Promise, 是表示“稍后能完成工作”的一种承诺。Task 表示不返回值的单个操作，而 Task<T> 表示返回 T 类型的值的单个操作。值得注意的一点是，C# 中的 Task 是可以显式请求（通过 Task.Run）在独立的线程上运行的，这可以克服一些单纯的异步模型不能解决的问题，稍后将会提到。

根据 Task 所包含的具体操作，Task 可分为绑定 I/O 操作的任务和绑定 CPU 操作的任务。在编写程序中，区分二者是非常重要的。对于绑定 I/O 操作的任务（如等待数据库数据），它在 CPU 上几乎没有耗时，因此其被调用时，直接运行在当前线程上是合理的，只要在等待的时候将控制让步于其调用方，就能够让程序执行其他有用的工作。但绑定 CPU 操作的任务（如执行开销巨大的计算）是实打实地需要花费较长的时间，这些时间内 CPU 并不是空闲的，因此无法用于执行其他工作。如果该任务运行在原线程上，很有可能阻塞原线程，造成不希望的结果（例如阻塞 UI 线程引起 UI 无响应）。因此最好的处理方式是利用其他线程执行该任务。

合理地运用异步编程，能够改进用户体验，提高硬件利用率和系统的吞吐能力，增强系统的健壮性。

四、代码实现

下面，我们将通过 .NET Docs 中的一个示例学习如何通过代码实现异步编程。示例代码如下：

// 异步方法签名的 3 要素：
//  - async 修饰符。
//  - 返回类型为 Task 或 Task<T>.
//  这里使用 Task<int>，因为该方法的 return 语句返回 int 类型。
//  - 方法名以 "Async" 结尾。
async Task<int> AccessTheWebAsync()
{
	// 记得添加对 System.Net.Http 的引用。
	var client = new HttpClient();

	// GetStringAsync 返回 Task<string> 对象。这意味着当你 await
	// 这个 Task 时，你会得到一个 string（响应的 content）。
	Task<string> getStringTask = 
		client.GetStringAsync("https://www.raineggplant.com");

	// 这里可以执行不依赖于 getStringTask 的结果的工作。
	DoIndependentWork();

	// await 运算符挂起了 AccessTheWebAsync 方法。
	//  - 直到 getStringTask 完成，AccessTheWebAsync 方法才会继续执行。
	//  - 同时，控制将返回到 AccessTheWebAsync 方法的调用者。
	//  - 当 getStringTask 完成后，控制恢复到这里。
	//  - 然后，await 运算符从 getStringTask 中获取字符串结果。
	string urlContents = await getStringTask;

	// 该 return 语句指明了结果是整型数。
	// 任何在 await AccessTheWebAsync 方法的方法能获取到字符串长度。
	return urlContents.Length;
}

// 异步方法签名的 3 要素：

// - async 修饰符。

// - 返回类型为 Task 或 Task<T>.

// 这里使用 Task<int>，因为该方法的 return 语句返回 int 类型。

// - 方法名以 "Async" 结尾。

async Task<int> AccessTheWebAsync()

{

// 记得添加对 System.Net.Http 的引用。

var client = new HttpClient();

// GetStringAsync 返回 Task<string> 对象。这意味着当你 await

// 这个 Task 时，你会得到一个 string（响应的 content）。

Task<string> getStringTask =

client.GetStringAsync("https://www.raineggplant.com");

// 这里可以执行不依赖于 getStringTask 的结果的工作。

DoIndependentWork();

// await 运算符挂起了 AccessTheWebAsync 方法。

// - 直到 getStringTask 完成，AccessTheWebAsync 方法才会继续执行。

// - 同时，控制将返回到 AccessTheWebAsync 方法的调用者。

// - 当 getStringTask 完成后，控制恢复到这里。

// - 然后，await 运算符从 getStringTask 中获取字符串结果。

string urlContents = await getStringTask;

// 该 return 语句指明了结果是整型数。

// 任何在 await AccessTheWebAsync 方法的方法能获取到字符串长度。

return urlContents.Length;

}

以下特征总结了使该示例成为异步方法的原因。

方法签名包含 async 修饰符。
按照约定，异步方法的名称以“Async”后缀结尾。
返回类型为下列类型之一：
- Task<TResult>: 适用于有操作数为 TResult 类型的返回语句的方法。
- Task: 适用于没有返回语句或具有没有操作数的返回语句的方法。
- void: 应当只用于异步事件处理程序。
- 包含 GetAwaiter 方法的其他任何类型（自 C# 7.0 起）。
方法通常包含至少一个 await 表达式（如果不含 await 表达式，就和同步方法没有差别了），该表达式标明了在该点上，只有等待的异步操作完成后方法才能继续。运行到此处时，方法将被挂起，并且控制将返回到方法的调用方。

微软的官方文档给出了示例中异步方法具体地运行机制，受篇幅所限，此处不再转述。但强烈建议大家参看该部分，它对于帮助你理解 C# 中的异步编程有很大的帮助（链接地址： https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/programming-guide/concepts/async/index#BKMK_WhatHappensUnderstandinganAsyncMethod ）。

下面我们来实战一下，通过编写一个使用异步编程的程序，来对比一下同步方法和异步方法的区别吧。

新建一个 Windows 窗体应用，注意 Net Framework 版本应不低于 4.5, 命名为 AsyncExample. 向窗体添加两个按钮，Name 设置为 SyncPingButton 和 AsyncPingButton, Text 设置为“Ping (Sync)”和“Ping (Async)”；添加一个文本框，Name 设置为 ResultTextBox. 像下面这样：

按下 F7, 编辑代码如下：

using System;
using System.Windows.Forms;
using System.Net.NetworkInformation;

namespace AsyncExample
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void SyncPingButton_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            ResultTextBox.Text = string.Empty;
            SyncPingButton.Enabled = false;
            using (var pinger = new Ping())
            {
                var result = pinger.Send("1.2.3.4", 3000);
                ResultTextBox.Text = result.Status.ToString();
            }
            SyncPingButton.Enabled = true;
        }

        private async void AsyncPingButton_ClickAsync(object sender, EventArgs e)
        {
            ResultTextBox.Text = string.Empty;
            AsyncPingButton.Enabled = false;
            using (var pinger = new Ping())
            {
                var result = await pinger.SendPingAsync("1.2.3.4", 3000);
                ResultTextBox.Text = result.Status.ToString();
            }
            AsyncPingButton.Enabled = true;
        }
    }
}

using System;

using System.Windows.Forms;

using System.Net.NetworkInformation;

namespace AsyncExample

{

public partial class Form1 : Form

{

public Form1()

{

InitializeComponent();

}

private void SyncPingButton_Click(object sender, EventArgs e)

{

ResultTextBox.Text = string.Empty;

SyncPingButton.Enabled = false;

using (var pinger = new Ping())

{

var result = pinger.Send("1.2.3.4", 3000);

ResultTextBox.Text = result.Status.ToString();

}

SyncPingButton.Enabled = true;

}

private async void AsyncPingButton_ClickAsync(object sender, EventArgs e)

{

ResultTextBox.Text = string.Empty;

AsyncPingButton.Enabled = false;

using (var pinger = new Ping())

{

var result = await pinger.SendPingAsync("1.2.3.4", 3000);

ResultTextBox.Text = result.Status.ToString();

}

AsyncPingButton.Enabled = true;

}

分别选择 SyncPingButton 和 AsyncPingButton, 在“属性”->“事件”中分别绑定 SyncPingButton_Click 和 AsyncPingButton_ClickAsync 到各自的 Click 事件。

在上面的代码中，我们分别通过同步和异步的 Ping 方法，设置超时为 3000 毫秒，去 ping 1.2.3.4 这个 IP（一定会超时，因为这是一个没有分配的 IP 地址）。同步方法在等待响应时会阻塞当前线程，造成 UI 无响应。而异步方法由于在发出 ping 之后就将控制权让出，所以并没有造成阻塞。当 ping 超时后，文本框都显示了“TimedOut”提示。

效果对比图如下（不停晃动鼠标是为了检测 UI 是否响应）：

同步方法阻塞了 UI 线程

异步方法执行时 UI 仍然能够响应

哈，虽然这只是一个简单的例子。但是只要合理利用异步编程，它就能发挥突出的作用。

工程文件下载：AsyncExample

五、还有什么没有提到

本篇教程就要结束了，但是，上面提到的仅仅是异步编程的一点皮毛，而且主要都是原理性的，而具体的 C# 实现其实也只讲了最基础的部分，还有很多重要的东西都没有讲到。其实我希望这篇教程只要能够起到让大家领略到异步编程的魅力，领会到异步编程的思想的作用就行了。至于 C# 的部分其实只是一个入门的介绍，想要更深入地理解还得靠自己钻研哦，我在下面给出了一些扩展阅读的资料供大家参考。

考虑到知识的完整性，在这里简要列举一下还没有提到的东西：

同步上下文
同时使用多个异步方法
转换异步模式
异步编程的异常处理
任务的取消
……

因为笔者水平和时间有限，难免会有不恰当甚至错误的地方，希望大家不吝指出哦！

六、参考资料与扩展阅读

下面给出了一些本文参考的和可供大家扩展阅读的资料。虽然我给出的 Microsoft Docs 链接都是中文的，但是推荐大家阅读其对应的英文版本，因为翻译质量并不高。而且，习惯于阅读英文资料是有好处的，因为较前沿、质量较高且较深入的资料基本上都是英文的。

操作系统——进程、线程、调度: https://www.jianshu.com/p/91c8600cb2ae
深入理解并发/并行，阻塞/非阻塞，同步/异步: https://blog.csdn.net/sinat_35512245/article/details/53836580
In Which We Begin at the Beginning – krondo: http://krondo.com/in-which-we-begin-at-the-beginning
中文译文版: http://blog.sina.com.cn/s/blog_704b6af70100py9f.html
异步编程 | Microsoft Docs: https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/async#basic-overview-of-the-asynchronous-model
深入了解异步 | Microsoft Docs: https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/async-in-depth
使用 Async 和 Await 的异步编程 (C#) | Microsoft Docs: https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/programming-guide/concepts/async/index
Async/Await - Best Practices in Asynchronous Programming: https://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/jj991977.aspx

RainEggplant原创文章，转载请注明来自：异步编程简介与C#中基于任务的异步编程入门

分类目录

文章归档

异步编程简介与C#中基于任务的异步编程入门

一、什么是异步编程

概念一进程与线程、并发

概念二同步与异步、阻塞与非阻塞

编程模型

同步模型

多线程模型

异步模型

二、什么时候需要异步编程

三、C#中基于任务的异步编程 (TAP) 概述

四、代码实现

五、还有什么没有提到

六、参考资料与扩展阅读

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异步编程简介与C#中基于任务的异步编程入门

一、什么是异步编程

概念一 进程与线程、并发

概念二 同步与异步、阻塞与非阻塞

编程模型

同步模型

多线程模型

异步模型

二、什么时候需要异步编程

三、C#中基于任务的异步编程 (TAP) 概述

四、代码实现

五、还有什么没有提到

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