异步的原理是什么？C# 如何基于状态机实现异步？

参考资料：C# in Depth, Fourth Edition - Jon Skeet

上篇文章提到了“续延（continuation）”这个概念，通过解释它，简单解释一下异步的原理。提前说一下，原理不等于实现，实际上 C# 实现异步的方式是基于状态机的，稍微有点复杂。

输出结果：

注意，这里说的是“本质上”，不是“实际上”。 实际上 C# 实现异步的方式是用了 try-catch 和 switch-case 等。

续延“本质上”就是可以保存程序执行状态的回调，负责接收异步操作的结果。顺带一提，Task.ContinueWith() 是用来附加续延的方法。

让编译器为我们创建续延，是 await 关键字的作用之一。

前面说了一堆“本质上”，是为了方便理解，但可能弄巧成拙把诸位绕晕了。现在说一下“实际上”。

扯到这里，就可以简单说一下异步的流程了：

在（1. 通过续延简单理解异步的原理）开头那段示例代码中，实际上就是在第 4 步卡 100ms，await 语句通过 Task.Delay(100) 这个异步方法返回的“令牌” Task 来等待异步操作完成。

示例代码可能不太明显，像下面这样写就很明显了，这里的 Task t 就是异步操作返回的“令牌”：

你完全可以在 Task t = Task.Delay(100);语句和 await t; 语句之间插入一些其它的代码，相当于你点外卖，叫了一份黄焖鸡米饭，然后去做别的事了，等其它事情做完，而且饭送到之后（假设骑手可以等你做完其它事再开门取餐），再回来处理黄焖鸡米饭送到之后的续延，比如坐到桌前吃饭。

如果直接 await Task.Delay(100); 或者 Task.Delay(100).Wait();，就会一直等待 Delay 100ms 之后才继续往下执行。就相当于你叫了份黄焖鸡米饭，然后你坐等骑手来送餐，期间什么都不做。

因为正在被调用的异步方法遇到 await 后立刻返回了（令牌）。 对调用方来说相当于调用异步方法的这行代码立刻执行完了。

异步方法立即返回一个令牌，之后异步方法继续执行着，调用方拿着异步操作返回的“令牌”，就能知道异步操作何时能完成，然后做出自己接下来要执行操作还是要等待等选择。

从逻辑上理解很简单，但实际上编译器做了很多很难理解的事。我在以前就尝试过反编译异步代码来看看它到底整了啥活，但是只看到一堆 switch-case 和 goto。

比如看这段代码：

这段代码来自 C# in Depth, Fourth Edition，书的作者大慈大悲地把编译器生成的代码翻译成了人话，让我们能看懂，至少能看懂变量名和方法名。下面我们来看编译器生成的代码，一些给我们理解代码造成障碍的 Attribute 我已经删掉了。

异步实现的原理基于状态机。

状态当然是状态机最重要的部分，毕竟它就叫“状态”机。

可以分为这 4 种状态。但异步方法中每个 await 表达式是单独的暂停状态，即可能有多个暂停状态，每次 await 表达式返回后都会触发后续代码的执行。每次状态机需要暂停的时候就记录下状态，为了将来能从当前执行位置恢复执行。现在听起来很抽象，后面我们一起看看代码就知道了。

state 是 int 类型，它有以下几种可能：

为什么“尚未启动”和“正在执行”状态用同一个值表示？后面讲完状态机我再解释。

为什么“执行完成”和“执行出错”状态用同一个值表示？因为对与状态机来说，这两种情况都属于执行完了，再没它什么事了。

编译器会生成一个 private 的结构体 PrintAndWaitStateMachine 代表异步方法：

由于我们是基于发布的构建，所以编译器生成的是结构体。如果我们基于调试构建，编译器会生成一个 class。两者主要是性能上的区别。

在分析状态机结构体之前，我们先看一下负责创建状态机对象的存根方法。

异步实现的原理基于状态机。编译器会生成一个 private 的嵌套结构体 PrintAndWaitStateMachine 代表异步方法，也就需要一个存根方法 PrintAndWait() 来构建结构体对象。该存根方法与原方法同名，它是一切的开始。

通过观察存根方法的代码，分析一下它做的事：

这样在运行 Start() 方法的过程中，状态机 machine 的 state 的变化就会直接反映在 machine 这个对象上，我们不需要让 Start 返回什么值，我们只需要取 machine 的值就知道 Start 执行到什么情况了。

前面我们状态机结构体代码中有一个最重要的 MoveNext() 方法。状态机 start 之后不会创建新线程，只是执行 MoveNext() 方法，执行到状态机 await 另一个异步方法或者状态机停止为止。不管是哪种，MoveNext() 都会返回，存根方法中调用的 Start() 也会返回。这样就可以把 Task 作为整个异步方法的结果返回给调用方。

这里我重新贴一下状态机的代码：

在完成一些内部事务之后，Start() 方法会调用 MoveNext() 方法来迈出异步方法的第一步。

结构体中还有几个字段，如前面讲过的 state 等。状态机从某个暂停状态恢复时可能会取这些字段的值。

简单说一下 awaiter 这个字段。任何特定的状态机一次只能 await 一个值，所以每个泛型 Task 一次只能有一个与这个泛型相关的 awaiter。例如我们有一个 async 方法，里面一共有 6 个 await 语句，其中有两个是 await Task 类型的返回，一个 await Task，三个 await Task，那么就会编译成 3 个 awaiter 字段，他们的类型分别是：TaskAwaiter，TaskAwaiter，TaskAwaiter。在这 6 次 await 时会复用这三个字段。

现在来看一下最重要的 MoveNext() 方法。

为了防止忘记，先放一下原方法的代码：

然后看一下 MoveNext() 的代码：

过一遍代码，估计有的朋友就看懂了这异步是怎么实现的了。

如果 awaiter1 等待的异步操作已经完成，即 awaiter1.IsCompleted == true，就会直接运行 goto GetFirstAwaitResult;，也就是直接运行下面的 GetFirstAwaitResult: 代码块。这被称为快速路径（fast path）。

如果并未完成，即 awaiter1.IsCompleted == false，就会继续往下走，状态机进入暂停状态，状态机的 state 字段被置为 0，awaiter 字段被置为还在等的 awaiter1，最后 return。一直等到状态机恢复执行时，MoveNext() 方法再次被调用，进入 switch-case 语句：

因为 num 取的 state 的值，也就是 0，所以直接 goto FirstAwaitContinuation;，代码走进了 FirstAwait 的续延（最开始提到的续延概念），也就是代码走进了 FirstAwaitContinuation: 代码块：

FirstAwaitContinuation: 代码块就赋值一下变量，调整一下状态到 -1（尚未启动/正在执行），就是做了一些状态机恢复运行后的准备操作，然后就又走进了 GetFirstAwaitResult: 代码块。跟快速路径交汇。这叫做慢速路径（slow path）。

如果我们 Delay 的一直是 0ms，或者 await 的一直都是已经完成的异步操作，就会一直走快速路径，MoveNext() 方法从头到尾就只会被调用一次。

看到这里，相信大家都可以读懂上面代码的执行过程了，也就看懂了状态机，也就知道了 C# 异步的实现。

总结一下最重要的 MoveNext() 方法，该方法的工作：

到现在，C# 异步的实现部分已经基本扯完了。看到这里前面留下的问题：为什么“尚未启动”和“正在执行”状态用同一个值表示？也已经有答案了。因为正常情况下 MoveNext() 只会在状态机刚启动或者恢复执行的时候被调用，所以“尚未启动”和“正在执行”可以用同一个状态码表示。

最后我把 C# in Depth, Fourth Edition 里的异步方法的流程图搞过来了：

调用 SetStateMachine() 方法以及 try-catch 没有放到流程图中，但不影响理解。

知道了 C# 如何实现异步之后，我们就能彻底整明白 await 这种看起来很简单实际上很复杂的表达式到底做了什么了。后面有时间的话我再写一下。