在C# vNext里面使用异步语法

今天用了一个下午加上晚上体验了一回 Visual Studio 11 Developer Preview。

下面详细介绍下 C# vNext（我不知道它应该是C#5还是C#4.5）的异步语法。最关键的是2个新增加的关键字（实际上在AnsyncCTP+VS2010就有，不过和VS11的略有不同）

目前网上已经有了不少文章，不过都是围绕微软给出的一个HTTP异步访问的程序讨论，为了不重复已有的内容，我设计了另一个测试代码，以便大家更多了解异步语法。

我的测试代码如下：

private int foo(int seed)

{

    Random r = new Random(seed);

    string s = "";

    int i = 0;

    while (s != "this")

    {

        char c1 = (char)r.Next(67, 122);

        char c2 = (char)r.Next(67, 122);

        char c3 = (char)r.Next(67, 122);

        char c4 = (char)r.Next(67, 122);

        s = new string(new char[] { c1, c2, c3, c4 });

        i++;

    }

    return i;

}

代码的作用是不断随机产生一个由4个小写字母组成的字符串，直到这个字符串为“this”停止，返回尝试的次数。有一个故事说让猴子打字，只要尝试足够长的时间，他也能写出莎士比亚的著作。我的程序让计算机打字，要想输出一个有意义的单词（this），你会发现居然要这么多尝试，哈哈。这个代码没什么意义，但是可以做到2点，一个是它很占用CPU运算资源，另一个是运行时间长短无法预计，并且差异很大。这两点在使用异步算法的时候具有很好的演示作用。

开始我试图在一个控制台程序中实现异步语法，但是发现没有办法运行。无论是我的代码还是微软的Demo，都是如此，虽然可以编译，但是主程序会直接返回，而异步方法似乎没有执行。即便在主程序里面使用Task.Wait()也无济于事。这个问题直到现在仍然没有解决，估计和控制台程序的线程模型有关，如果谁知道原因，请指教下，谢谢！

之后我使用了WPF程序来测试。选择WPF的原因是它的EventHandler是支持异步的。

首先给出同步版本的调用，这个大家都很熟悉：

int[] results =

    Enumerable.Range(0, 10)

                .Select(x => foo(unchecked((int)(DateTime.Now.Ticks >> x)))).ToArray();

return "Result is: " + string.Join(", ", results) + ".";

这个程序把那个 foo() 调用了10次，并且搜集10次运行的结果并且输出。

然后我们在一个按钮的处理事件中调用它，把结果输出到文本框。

之后就是我们的重点，异步版本的程序：

int[] results =

    await Task.WhenAll(Enumerable.Range(0, 10)

                                    .Select(x => Task.Factory.StartNew(() => foo(unchecked((int)(DateTime.Now.Ticks >> x))))));

return "Result is: " + string.Join(", ", results) + ".";

代码的区别在于，我们构造了10个Task<int>分别执行这10次任务（int是Task的返回值，它代表一个Func<int>），然后我们调用 Task.WhenAll 等待10次运行结束。

WhenAll() 返回一个 Task<int[]> 类型。而使用 await 以后，它会自动将 Task<int[]> 执行，等待全部结束，填入 int[] 作为结果。而在执行任务的时候，主线程是不会被阻塞的。

注意，只有当一个方法被修饰为 async 的时候，才能使用 await 关键字。所以我们的方法为：

        private async Task<string> bar1()

        {

            int[] results =

                await Task.WhenAll(Enumerable.Range(0, 10)

                                                .Select(x => Task.Factory.StartNew(() => foo(unchecked((int)(DateTime.Now.Ticks >> x))))));

            return "Result is: " + string.Join(", ", results) + ".";

        }

我们还需要在事件处理函数中使用异步调用：

        private async void Button1_Click(object sender, RoutedEventArgs e)

        {

            this.textBox1.Text = await bar1();

        }

异步语法其实是一个语法糖，它的作用是将 await 之后的代码从方法代码中转移到一个委托，并且在异步调用执行完成后执行，同时恢复现场，似乎好像它是同步的一样。

这一点，异步执行非常类似C# 2的yield return——迭代器也是编译器完成的魔术，每次迭代，当前状态都会被保存，在迭代继续执行的时候被恢复。因为是编译器魔术，这也解释了VS2010安装了AsyncCTP之后也可以使用类似的语法。事实上从IL的角度看，是看不到async的存在的。

这是完整的代码：
MainWindow.xaml

<Window

        xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"

        xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"

        xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008" xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006" mc:Ignorable="d" x:Class="WpfApplication1.MainWindow"

        Title="MainWindow" Height="350" Width="525">

    <Grid>

        <Button Content="async" HorizontalAlignment="Left" VerticalAlignment="Top" Width="75" Click="Button1_Click"/>

        <TextBox x:Name="textBox1" HorizontalAlignment="Left" TextWrapping="Wrap" Text="" VerticalAlignment="Top" Margin="0,26,0,0" Width="509" Height="42"/>

        <Button Content="sync" HorizontalAlignment="Left" VerticalAlignment="Top" Width="75" Margin="0,67,0,0" Click="Button2_Click"/>

        <TextBox x:Name="textBox2" HorizontalAlignment="Left" TextWrapping="Wrap" Text="" VerticalAlignment="Top" Margin="0,93,0,0" Width="509" Height="42"/>

    </Grid>

</Window>

MainWindow.xaml.cs

using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Threading.Tasks;

using System.Windows;

using System.Windows.Controls;

using System.Windows.Data;

using System.Windows.Documents;

using System.Windows.Input;

using System.Windows.Media;

using System.Windows.Media.Imaging;

using System.Windows.Navigation;

using System.Windows.Shapes;



namespace WpfApplication1

{

    /// <summary>

    /// Interaction logic for MainWindow.xaml

    /// </summary>

    public partial class MainWindow : Window

    {

        public MainWindow()

        {

            InitializeComponent();

        }



        private async void Button1_Click(object sender, RoutedEventArgs e)

        {

            this.textBox1.Text = await bar1();

        }



        private void Button2_Click(object sender, RoutedEventArgs e)

        {

            this.textBox2.Text = bar2();

        }



        private int foo(int seed)

        {

            Random r = new Random(seed);

            string s = "";

            int i = 0;

            while (s != "this")

            {

                char c1 = (char)r.Next(67, 122);

                char c2 = (char)r.Next(67, 122);

                char c3 = (char)r.Next(67, 122);

                char c4 = (char)r.Next(67, 122);

                s = new string(new char[] { c1, c2, c3, c4 });

                i++;

            }

            return i;

        }



        private async Task<string> bar1()

        {

            int[] results =

                await Task.WhenAll(Enumerable.Range(0, 10)

                                                .Select(x => Task.Factory.StartNew(() => foo(unchecked((int)(DateTime.Now.Ticks >> x))))));

            return "Result is: " + string.Join(", ", results) + ".";

        }



        private string bar2()

        {

            int[] results =

                Enumerable.Range(0, 10)

                            .Select(x => foo(unchecked((int)(DateTime.Now.Ticks >> x)))).ToArray();

            return "Result is: " + string.Join(", ", results) + ".";

        }



    }

}

下面运行这个程序，使用异步语法的直观好处有2点：
- 程序运行得更快
- 程序响应更加流畅



这张图显示了2个版本的程序运行时CPU消耗的时间和利用效率。我找了一个四核心的处理器做这个测试，如图显示，同步版本（右边那个）只使用了25%的CPU，运行时间（图表x轴，也就是宽度）比左边的长。



这张图是运行同步版本时候的窗口，明显此时窗口失去了响应，用户不能拖动窗口，像死机了一样，标题栏也显示无响应字样。

对比下这张图：


在异步执行的时候，程序窗口还可以接受响应。

最后再给一张VS2011的截图，从图上看，和VS2010区别不大。


另外VS11经常出现失去响应的情况，估计微软也试图解决这个问题。于是在程序失去响应超过几秒以后会出现一个报告对话框：

大家尽可能多加一些内存。