自己動手寫個異步IO函式 --（基于 c# Task）-有解無憂

前言對于服務端，達到高性能、高擴展離不開異步，對于客戶端，函式執行時間是1毫秒還是100毫秒差別不大，沒必要為這一點點時間煞費苦心，對于異步，好多人還有誤解，如：異步就是多執行緒；異步就是如何利用好執行緒池，異步不是這么簡單，否則微軟沒必要在異步上花費這么多心思，本文就介紹異步最新的實作方式：Task，并自己動手寫一個異步IO函式，只有了解了異步函式內部實作方式，才能更好的利用它，

　　對于c#，異步處理經過了多個階段，但是對于現階段異步就是Task，微軟用Task來抽象異步操作，以后的異步函式，處理的都是Task，你會看到處處都是task的身影，為了處理Task，c#引入了兩個關鍵詞async，await，這兩個關鍵詞也可以說是一個關鍵詞，因為async的存在是為了表明await是關鍵詞，總而言之：兩個關鍵詞干了一件事，async關鍵詞并不改變函式的宣告，

　　有人說await就是語法糖，不值得大書特書，我只能說你錯了，軟體開發堅持的原則為：代碼要省，代碼要清晰易懂！如果沒有語法糖，代碼的維護性大大降低，await這個語法糖做的事很多；如果不用await，處理同樣的邏輯，需要多寫很多代碼，并導致邏輯不清晰，

Task的分類

　　異步分為兩類 compute-base 和 IO-base，compute-base就是計算密集型，函式所有的操作都是在記憶體中，不涉及IO；如果運行這個函式，則單個執行緒利用率達100%；IO-base就是涉及到IO，IO包括檔案讀寫，socket讀寫；這類異步操作底層涉及到IOCP（完成埠），相應的，Task也分為兩類，

　　對于這兩個區別可以舉個例子來區分：一臺電腦為4個執行緒，如果同時有4個compute-base執行緒運行，cpu的利用率為100%，如果同時有4個 IO-base的異步操作，cpu利用率可能遠遠低于100%，

　　對于.net 庫,有些函式會有兩個版本：一個是同步操作，一個是異步操作（函式名以Async結尾，回傳值為Task），舉個例子：

這是WebClient類獲取網址內容函式，你會問DownloadStringTaskAsync是compute-base Task，還是 IO-base Task？我可以肯定的告訴你：只要是.net基本類別庫提供的異步函式基本都是IO-base Task（微軟官方檔案是這樣要求），其實這樣要求是有道理的：對于compute-base異步，比較容易封裝；再者，這樣的異步是不能大規模的并發的，如果16個執行緒cpu，同時并發16個這樣的異步操作就是上限了；如果再多，反而會有害！

　　有人說，如果基本類別庫不提供 IO-base Task函式，我也可以封裝一下，這個也不難啊！代碼如下：

//把一個同步操作，改造成異步
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();
                }
            });
 }

　　上面函式如果說是異步操作，也不錯，但是，這不是“好”的異步操作！這是異步操作中夾雜著同步IO，會導致執行緒等待，如果有100個這樣的異步操作，就需要100個執行緒，這些執行緒大部分并沒在干活，而是在等待！對于“好”的異步IO，如果同時有100個操作，甚至幾萬個操作，使用的執行緒都是有限的，一般不超過cpu執行緒數，這是怎么實作的？這涉及到IOCP，說起來有些復雜，可以參考IOCP相關資料，類別庫提供異步IO操作，都是涉及到IOCP的，所以得到如下結論：如果類別庫不提供IO異步函式，無論怎么改造，不可能改造成“好”的異步函式！

Task實作的基本原理

Task變數狀態如下

　　狀態簡要分為生成、執行、執行完畢這三個階段，如果執行完畢前獲取執行后的值Task.Result，函式就會阻塞，那我怎么知道什么時候完成，而又不阻塞？有兩種辦法，輪詢和回呼通知，Task.IsCompleted屬性會指示函式是否執行完畢，輪詢不是一個好的辦法，采用回呼通知是上策！

　　回呼通知有個缺點：處理邏輯不直觀，回呼函式與異步呼叫函式不在一塊，還有可能隔著很多行代碼或不在同一個檔案，如果這樣的回呼函式太多，對理解代碼邏輯造成困難，代碼不易維護，微軟也考慮到了這個問題，那就用await關鍵詞來解決，await幫你處理了回呼函式的弊端，其實await后面的代碼與await前面的代碼不屬于同一個函式！await后面的代碼就是回呼函式！微軟確實給我們解決了這個問題，但是又帶來另一個問題，好多人不明白，明明是同一個函式，怎么實作了等待而又不阻塞當前執行緒！歸根到底，還是要理解await背后幫你干了啥，否則就會一直困惑，

　　要生成Task變數，只要理解幾個關鍵的處理步驟就行了，TaskCompletionSource類會幫助我們生成Task，如果IO完成，設定Task的狀態為完成就行了，后面，就會執行回呼函式（await關鍵詞幫我干了，你看不到回呼）！

如何寫一個IO-base Task函式？

　　大部分情況下不需要自己寫這樣的函式，但是，人是有好奇心的，如果不明白函式實作的原理，總是感覺不能釋懷！再者，明白函式實作原理，就能更好的利用這類函式，下面講解一下如何利用IOCP來實作異步函式，我沒有參考.net的原始碼，只是根據邏輯推理應該這實作，肯定和.net原始碼實作有出入，我寫這些代碼主要為了闡明Task實作原理，

IOCP處理邏輯

　　對于IOCP，這里不展開來講了，否則就跑題了，以socket讀取為例子，簡單總結一下：如果你要接收100個位元組的資料，你告訴IOCP你要接收100個位元組資料，并提供100個位元組的buffer，函式立即回傳；資料到達后，IOCP通知你，資料到了，資料就存在你提供的buffer里，

　　實作異步IO偽代碼如下：

 class AyncInside
    {
        //完成埠句柄
        IntPtr iocpHandle = IntPtr.Zero;

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

            //如果沒生成iocp則生成，
            if (iocpHandle == IntPtr.Zero)
            {
                iocpHandle = CreateIocp();
            }

            // 告訴iocp，要讀取count位元組資料，函式不會阻塞，會立即回傳
            //從完成埠收到資料后，會呼叫ReadScoketCallback
            //我們把readInfo也傳給函式，當回呼時，該變數會傳給回呼函式，
            ReadFromIocp(iocpHandle, readInfo.Buffer, readInfo, ReadScoketCallback);
            
            return readInfo.Tcs.Task;
        }


        void ReadScoketCallback(byte[] buffer, int readCount,object tag)
        {
            //tag就是呼叫ReadFromIocp時，傳的readInfo
            //便于我們知道異步呼叫時的背景關系資料，
            TaskCompletionSourceRead readInfo = tag as TaskCompletionSourceRead;
           
            if(buffer.Length == readCount )
            {
                //呼叫完SetResult后，await后面的代碼就會被執行！
                readInfo.Tcs.SetResult(buffer);
            }
            else if (buffer.Length > 0)
            {
                Array.Resize(ref buffer, readCount);
                readInfo.Tcs.SetResult(buffer);
            }
            else
            {
                readInfo.Tcs.TrySetException(new Exception("讀取資料例外！socket可能已斷開！"));
            }
        }

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

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

    }

    //封裝異步讀取需要的資料
    class TaskCompletionSourceRead
    {
        public TaskCompletionSource<byte[]> Tcs { get; set; }
        public byte[] Buffer { get; set; }
    }

　　上述代碼與實際可使用代碼差距還很大，我在這里主要為了闡明原理，通過上面的代碼，我們可以看到，這個異步函式并沒生成新的執行緒；網卡驅動和IOCP配合，幫我們接收了資料，所以這種方式才是真正可擴展的異步IO，

后記異步IO和可擴展服務緊密關聯，對于.net core平臺，你會看到很多函式都是異步的，理解和用好異步IO函式非常重要，本文通過自己對異步IO的理解，試圖通過代碼闡明異步IO實作原理，希望你看過此文后，能對此有更深的理解！如果此文對你有所裨益，希望您給點個贊！

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標籤：C#

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