基于c# Task自己动手写个异步IO函数

前言

对于服务端，达到高性能、高扩展离不开异步。对于客户端，函数执行时间是1毫秒还是100毫秒差别不大，没必要为这一点点时间煞费苦心。对于异步，好多人还有误解，如： 异步就是多线程；异步就是如何利用好线程池。异步不是这么简单，否则微软没必要在异步上花费这么多心思。本文就介绍异步最新的实现方式：Task，并自己动手写一个异步IO函数。只有了解了异步函数内部实现方式，才能更好的利用它。

　　对于c#，异步处理经过了多个阶段，但是对于现阶段异步就是Task，微软用Task来抽象异步操作。以后的异步函数，处理的都是Task。你会看到处处都是task的身影。为了处理Task，c#引入了两个关键词async，await。这两个关键词也可以说是一个关键词，因为async的存在是为了表明await是关键词。总而言之：两个关键词干了一件事，async关键词并不改变函数的声明。

　　有人说await就是语法糖，不值得大书特书，我只能说你错了。软件开发坚持的原则为：代码要省，代码要清晰易懂！如果没有语法糖，代码的维护性大大降低。await这个语法糖做的事很多；如果不用await，处理同样的逻辑，需要多写很多代码，并导致逻辑不清晰。

Task的分类

　　异步分为两类 compute-base 和 IO-base。compute-base就是计算密集型，函数所有的操作都是在内存中，不涉及IO；如果运行这个函数，则单个线程利用率达100%；IO-base就是涉及到IO，IO包括文件读写，socket读写；这类异步操作底层涉及到IOCP（完成端口）。相应的，Task也分为两类。

　　对于这两个区别可以举个例子来区分：一台电脑为4个线程。如果同时有4个compute-base线程运行，cpu的利用率为100%。如果同时有4个 IO-base的异步操作，cpu利用率可能远远低于100%。

　　对于.net 库,有些函数会有两个版本：一个是同步操作，一个是异步操作（函数名以Async结尾，返回值为Task）。举个例子：

这是WebClient类获取网址内容函数。你会问DownloadStringTaskAsync是compute-base  Task，还是 IO-base Task？我可以肯定的告诉你：只要是.net基本类库提供的异步函数基本都是IO-base Task（微软官方文档是这样要求）。其实这样要求是有道理的：对于compute-base异步，比较容易封装；再者，这样的异步是不能大规模的并发的。如果16个线程cpu，同时并发16个这样的异步操作就是上限了；如果再多，反而会有害！

　　有人说，如果基本类库不提供 IO-base Task函数，我也可以封装一下，这个也不难啊！代码如下：

//把一个同步操作，改造成异步
public static async Task<byte[]> DownloadDataAsync(string url)
{
   WebRequest request = WebRequest.Create(url);

   return await Task.Run(() =>
   {
    using (var response = request.GetResponse())
    using (var responseStream = response.GetResponseStream())
    using (var result = new MemoryStream())
    {
     responseStream.CopyTo(result);
     return result.ToArray();
    }
   });
 }

　　上面函数如果说是异步操作，也不错。但是，这不是“好”的异步操作！这是异步操作中夹杂着同步IO。会导致线程等待。如果有100个这样的异步操作，就需要100个线程，这些线程大部分并没在干活，而是在等待！ 对于“好”的异步IO，如果同时有100个操作，甚至几万个操作，使用的线程都是有限的，一般不超过cpu线程数。这是怎么实现的？这涉及到IOCP，说起来有些复杂，可以参考IOCP相关资料。类库提供异步IO操作，都是涉及到IOCP的。所以得到如下结论： 如果类库不提供IO异步函数，无论怎么改造，不可能改造成“好”的异步函数！

Task实现的基本原理

Task变量状态如下

　　状态简要分为生成、执行、执行完毕这三个阶段。如果执行完毕前获取执行后的值Task.Result，函数就会阻塞。那我怎么知道什么时候完成，而又不阻塞？有两种办法，轮询和回调通知。Task.IsCompleted属性会指示函数是否执行完毕。轮询不是一个好的办法，采用回调通知是上策！

　　回调通知有个缺点：处理逻辑不直观，回调函数与异步调用函数不在一块，还有可能隔着很多行代码或不在同一个文件。如果这样的回调函数太多，对理解代码逻辑造成困难，代码不易维护。微软也考虑到了这个问题，那就用await关键词来解决。await帮你处理了回调函数的弊端，其实await后面的代码与await前面的代码不属于同一个函数！await后面的代码就是回调函数！微软确实给我们解决了这个问题，但是又带来另一个问题。好多人不明白，明明是同一个函数，怎么实现了等待而又不阻塞当前线程！归根到底，还是要理解await背后帮你干了啥，否则就会一直困惑。

　　要生成Task变量，只要理解几个关键的处理步骤就行了。TaskCompletionSource类会帮助我们生成Task。如果IO完成，设置Task的状态为完成就行了。后面，就会执行回调函数（await关键词帮我干了，你看不到回调）！

如何写一个IO-base Task函数？

　　大部分情况下不需要自己写这样的函数。但是，人是有好奇心的，如果不明白函数实现的原理，总是感觉不能释怀！再者，明白函数实现原理，就能更好的利用这类函数。下面讲解一下如何利用IOCP来实现异步函数。我没有参考.net的源码，只是根据逻辑推理应该这实现。肯定和.net源码实现有出入，我写这些代码主要为了阐明Task实现原理。

IOCP处理逻辑

　　对于IOCP，这里不展开来讲了，否则就跑题了。以socket读取为例子，简单总结一下：如果你要接收100个字节的数据，你告诉IOCP你要接收100个字节数据，并提供100个字节的buffer，函数立即返回；数据到达后，IOCP通知你，数据到了，数据就存在你提供的buffer里。

　　实现异步IO伪代码如下：

class AyncInside
 {
  //完成端口句柄
  IntPtr iocpHandle = IntPtr.Zero;

  Task<byte[]> ReadFromSocket(int count)
  {
   //生成此次操作需要相关数据
   TaskCompletionSourceRead readInfo = new TaskCompletionSourceRead();
   readInfo.Buffer = new byte[count];

   //如果没生成iocp则生成。
   if (iocpHandle == IntPtr.Zero)
   {
    iocpHandle = CreateIocp();
   }

   // 告诉iocp，要读取count字节数据。函数不会阻塞，会立即返回
   //从完成端口收到数据后，会调用ReadScoketCallback
   //我们把readInfo也传给函数。当回调时，该变量会传给回调函数。
   ReadFromIocp(iocpHandle, readInfo.Buffer, readInfo, ReadScoketCallback);

   return readInfo.Tcs.Task;
  }

  void ReadScoketCallback(byte[] buffer, int readCount,object tag)
  {
   //tag就是调用ReadFromIocp时，传的readInfo
   //便于我们知道异步调用时的上下文数据。
   TaskCompletionSourceRead readInfo = tag as TaskCompletionSourceRead;

   if(buffer.Length == readCount )
   {
    //调用完SetResult后，await后面的代码就会被执行！
    readInfo.Tcs.SetResult(buffer);
   }
   else if (buffer.Length > 0)
   {
    Array.Resize(ref buffer, readCount);
    readInfo.Tcs.SetResult(buffer);
   }
   else
   {
    readInfo.Tcs.TrySetException(new Exception("读取数据异常！socket可能已断开！"));
   }
  }

  private void ReadFromIocp(IntPtr iocpHandle, byte[] buffer, object tag,
   Action<byte[] , int,object> readScoketCallback)
  {
   throw new NotImplementedException();
  }

  private IntPtr CreateIocp()
  {
   throw new NotImplementedException();
  }

 }

 //封装异步读取需要的数据
 class TaskCompletionSourceRead
 {
  public TaskCompletionSource<byte[]> Tcs { get; set; }
  public byte[] Buffer { get; set; }
 }

　　上述代码与实际可使用代码差距还很大，我在这里主要为了阐明原理。通过上面的代码，我们可以看到，这个异步函数并没生成新的线程；网卡驱动和IOCP配合，帮我们接收了数据。所以这种方式才是真正可扩展的异步IO。

后记

异步IO和可扩展服务紧密关联。对于.net core平台，你会看到很多函数都是异步的。理解和用好异步IO函数非常重要。本文通过自己对异步IO的理解，试图通过代码阐明异步IO实现原理。希望你看过此文后，能对此有更深的理解！如果此文对你有所裨益，希望您给点个赞！

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