await,async 我要把它翻个底朝天，这回你总该明白了吧
一：背景
1. 讲故事
await，async 这玩意的知识点已经被人说的烂的不能再烂了，看似没什么好说的，但我发现有不少文章还是从理论上讲述了这两个语法糖的用法，懂得还是懂，不懂的看似懂了过几天又不懂了，人生如戏全靠记是不行的哈，其实本质上来说 await, async 只是编译器层面上的语法糖，在 IL 层面都会被打成原型的，所以在这个层面上认识这两个语法糖是非常有必要的。
二：从 IL 层面认识
1. 使用 WebClient 下载
为了方便打回原型，我先上一个例子，使用 webclient 异步下载 http://cnblogs.com 的html，代码如下：
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
var html = GetResult();
Console.WriteLine("稍等... 正在下载 cnblogs -> html \r\n");
var content = html.Result;
Console.WriteLine(content);
}
static async Task<string> GetResult()
{
var client = new WebClient();
var content = await client.DownloadStringTaskAsync(new Uri("http://cnblogs.com"));
return content;
}
}
上面的代码非常简单，可以看到异步操作没有阻塞主线程输出: 稍等... 正在下载 cnblogs -> html \r\n, 编译器层面没什么好说的 ，接下来看下在 IL 层面发生了什么？
2. 挖掘 await async 的IL代码
还是老规矩， ilSpy 走起，如下图：
可以看到，这里有一个 GetResult 方法 ，一个 Main 方法，还有一个不知道在哪里冒出来的 <GetResult>d__1 类，接下来和大家一个一个聊。
<1 style="box-sizing: border-box;"> \d__1> 类
因为不知道从哪里冒出来的，特别引人关注，所以看看它的 IL 是咋样的？
.class nested private auto ansi sealed beforefieldinit '<GetResult>d__1'
extends [System.Runtime]System.Object
implements [System.Runtime]System.Runtime.CompilerServices.IAsyncStateMachine
{
.method private final hidebysig newslot virtual
instance void MoveNext () cil managed
{
}
.method private final hidebysig newslot virtual
instance void SetStateMachine (
class [System.Runtime]System.Runtime.CompilerServices.IAsyncStateMachine stateMachine
) cil managed
{
}
}
从上面的 IL 代码可以看到，这是自动生成的 <GetResult>d__1 类实现了接口 IAsyncStateMachine，定义如下：
看到里面的 MoveNext 是不是很眼熟，平时你在 foreach 集合的时候就会用到这个方法，那时人家叫做枚举类，在这里算是被改造了一下， 叫状态机。
<2 style="box-sizing: border-box;"> GetResult ()
为了方便演示，我对方法体中的 IL 代码做一下简化：
.method private hidebysig static
class [System.Runtime]System.Threading.Tasks.Task`1<string> GetResult () cil managed
{
IL_0000: newobj instance void ConsoleApp3.Program/'<GetResult>d__1'::.ctor()
IL_0005: stloc.0
IL_0006: ldloc.0
IL_0007: call valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1<!0> valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1<string>::Create()
IL_000c: stfld valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1<string> ConsoleApp3.Program/'<GetResult>d__1'::'<>t__builder'
IL_0011: ldloc.0
IL_0012: ldc.i4.m1
IL_0013: stfld int32 ConsoleApp3.Program/'<GetResult>d__1'::'<>1__state'
IL_0018: ldloc.0
IL_0019: ldflda valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1<string> ConsoleApp3.Program/'<GetResult>d__1'::'<>t__builder'
IL_001e: ldloca.s 0
IL_0020: call instance void valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1<string>::Start<class ConsoleApp3.Program/'<GetResult>d__1'>(!!0&)
IL_0025: ldloc.0
IL_0026: ldflda valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1<string> ConsoleApp3.Program/'<GetResult>d__1'::'<>t__builder'
IL_002b: call instance class [System.Runtime]System.Threading.Tasks.Task`1<!0> valuetype [System.Threading.Tasks]System.Runtime.CompilerServices.AsyncTaskMethodBuilder`1<string>::get_Task()
IL_0030: ret
} // end of method Program::GetResult
如果你稍微懂一点的话，在 IL_0000 处的 newobj 你就应该知道这个方法就是做了 new <GetResult>d__1，然后从 IL_002b 处返回了一个 get_Task() ，这时候你就应该明白，为什么主线程不会被阻塞，因为人家返回的是 Task<string> ，对吧，最后的 http 结果会藏在 Task<string> 中，这样是不是就很好理解了。
<3 style="box-sizing: border-box;"> Main
Main方法没有做任何改变，原来是什么样现在还是什么样。
三：将 IL 代码 回写为 C#
1. 完整 C# 代码
通过前面一部分你应该对 await ，async 在 IL 层面有了一个框架性的认识，这里我就全部反写成 C# 代码：
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
var html = GetResult();
Console.WriteLine("稍等... 正在下载 cnblogs -> html \r\n");
var content = html.Result;
Console.WriteLine(content);
}
static Task<string> GetResult()
{
GetResult stateMachine = new GetResult();
stateMachine.builder = AsyncTaskMethodBuilder<string>.Create();
stateMachine.state = -1;
stateMachine.builder.Start(ref stateMachine);
return stateMachine.builder.Task;
}
}
class GetResult : IAsyncStateMachine
{
public int state;
public AsyncTaskMethodBuilder<string> builder;
private WebClient client;
private string content;
private string s3;
private TaskAwaiter<string> awaiter;
public void MoveNext()
{
var result = string.Empty;
TaskAwaiter<string> localAwaiter;
GetResult stateMachine;
int num = state;
try
{
if (num == 0)
{
localAwaiter = awaiter;
awaiter = default(TaskAwaiter<string>);
num = state = -1;
}
else
{
client = new WebClient();
localAwaiter = client.DownloadStringTaskAsync(new Uri("http://cnblogs.com")).GetAwaiter();
if (!localAwaiter.IsCompleted)
{
num = state = 0;
awaiter = localAwaiter;
stateMachine = this;
builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref localAwaiter, ref stateMachine);
return;
}
}
s3 = localAwaiter.GetResult();
content = s3;
s3 = null;
result = content;
}
catch (Exception exx)
{
state = -2;
client = null;
content = null;
builder.SetException(exx);
}
state = -2;
client = null;
content = null;
builder.SetResult(result);
}
public void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine) { }
}
可以看到，回写成 C# 代码之后跑起来是没有任何问题的，为了方便理解，我先来画一张流程图。
通过上面的 xmind，它基本流程就是： stateMachine.builder.Start(ref stateMachine) -> GetResult.MoveNext -> client.DownloadStringTaskAsync -> localAwaiter.IsCompleted = false -> builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref localAwaiter, ref stateMachine) -> GetResult.MoveNext -> localAwaiter.GetResult() -> builder.SetResult(result)
2. 剖析 AsyncTaskMethodBuilder
其实你仔细观察会发现，所谓的 await，async 的异步化运作都是由 AsyncTaskMethodBuilder 承载的，如异步任务的启动，对html结果的封送，接触底层IO，其中 Task<string> 对应着 AsyncTaskMethodBuilder<string>, Task 对应着 AsyncTaskMethodBuilder， 这也是为什么编译器在 async 处一直提示你返回 Task 和 Task<string>，如果不这样的话的就找不到对应 AsyncTaskMethodBuilder 了，对吧，如下图：
然后着重看下 AwaitUnsafeOnCompleted 方法，这个方法非常重要，其注释如下：
//
// Summary:
// Schedules the state machine to proceed to the next action when the specified
// awaiter completes. This method can be called from partially trusted code.
public void AwaitUnsafeOnCompleted<[NullableAttribute(0)] TAwaiter, [NullableAttribute(0)] TStateMachine>(ref TAwaiter awaiter, ref TStateMachine stateMachine)
where TAwaiter : ICriticalNotifyCompletion
where TStateMachine : IAsyncStateMachine;
一旦调用了这个方法，就需要等待 底层IO 将任务处理完毕之后二次回调 GetResult.MoveNext，也就表示要么异常要么完成任务， Awaiter 包装的 Task 结果封送到 builder.SetResult。
然后简单说一下 状态机 的走法，通过调试会发现这里会走 两次 MoveNext，一次启动，一次拿结果。
<1> 第一次回调 MoveNext
第一次 MoveNext 的触发由 stateMachine.builder.Start(ref stateMachine) 发起，可以用 dnspy 去调试一下，如下图：
<2> 第二次回调 MoveNext
第二次 MoveNext 的触发由 builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref localAwaiter, ref stateMachine) 开始，可以看到一旦 网络驱动程序 处理完毕后就由线程池IO线程主动发起到最后触发代码中的 MoveNext，最后就是到 awaiter 中获取 task 的 result 处结束，如下图：
四：总结
语法糖有简单和复杂之分，复杂的也不要怕，学会将 IL 代码翻译成 C# ，或许你以前很多不明白的地方此时都会豁然开朗，不是吗？
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