一次Async/await 原理探索

2025年5月17日
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一次Async/await 原理探索

前言

本文记录一次对 C# 中 async/await 异步编程机制的原理探索过程。异步编程的实现机制较为复杂，本文旨在通过实际代码及反编译分析，对其运行逻辑进行初步梳理和理解，供参考和学习使用。

一、前置示例

首先，通过一个简单的控制台应用演示 async/await 的基本用法：

  1. 编写一个控制台应用。代码如下

    internal class Program
{
    static async Task Main(string[] args)
    {
        await RequestGeogle(); // 异步执行
        Console.ReadLine();    // 阻塞主线程，观察结果
    }

    public static async Task<string> RequestGeogle()
    {
        using var client = new HttpClient();
        var response = await client.GetAsync("https://www.google.com");       // 第一次 await：发起网络请求
        var content = await response.Content.ReadAsStringAsync();             // 第二次 await：读取响应内容
        return content;
    }
}

    使用反编译工具查看编译后代码的核心部分：

    [DebuggerStepThrough]
private static void <Main>(string[] args)
{
    Program.Main(args).GetAwaiter().GetResult();
}

[DebuggerStepThrough]
private static Task Main(string[] args)
{
    Program.<Main>d__0 stateMachine = new Program.<Main>d__0();
    stateMachine.<>t__builder = AsyncTaskMethodBuilder.Create();
    stateMachine.args = args;
    stateMachine.<>1__state = -1;
    stateMachine.<>t__builder.Start(ref stateMachine);
    return stateMachine.<>t__builder.Task;
}

二、编译器所做的转换分析

  1. 通过分析可以看出，编译器对异步方法进行了如下处理：

    1. 生成状态机类

    编译器会为每一个 async 方法生成一个密封状态机类（如 <Main>d__0），实现接口 IAsyncStateMachine。其命名通常不规范，目的是避免与用户代码发生命名冲突。

    	public interface IAsyncStateMachine
	{
		
		void MoveNext();

		void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine);
	}

  2. 管理状态与上下文

    该状态机类负责保存方法的局部变量与异步状态，状态由 <>1__state 字段控制：

    • -1 表示初始状态；
    • 0, 1, 2… 分别表示不同 await 点；
    • `-n 表示方法已结束（成功或异常），取决于这个方法有几个await。

    同时，编译器使用 AsyncTaskMethodBuilder 来构建 Task 返回值，并负责控制方法生命周期，如启动、挂起、恢复和异常处理。

  3. 启动状态机

    通过 AsyncTaskMethodBuilder.Start 启动状态机，其本质调用了：

    public void Start<TStateMachine>(ref TStateMachine stateMachine) where TStateMachine : IAsyncStateMachine
{
    AsyncMethodBuilderCore.Start(ref stateMachine);
}

    AsyncMethodBuilderCore 可以视作控制器，其核心职责包括：

    • 注册恢复执行的回调
    • 捕获并传播异常
    • 管理线程上下文（如 SynchronizationContext）
    • 控制异步任务的延续（continuation）执行方式

三、关键方法：MoveNext 解构

状态机的核心执行逻辑集中在 MoveNext() 方法中。该方法负责在异步操作挂起与恢复之间切换执行状态。

以下是一个简化后的 MoveNext() 解构分析：

void IAsyncStateMachine.MoveNext()
{
    int state = this.<>1__state;
    try
    {
        TaskAwaiter<string> awaiter1;
        TaskAwaiter<string> awaiter2;

        if (state != 0)
        {
            if (state == 1)
            {
                awaiter1 = this.<>u__1;
                this.<>u__1 = default;
                this.<>1__state = -1;
                goto CONTINUE_SECOND_AWAIT;
            }

            awaiter2 = Program.RequestGeogle().GetAwaiter();
            if (!awaiter2.IsCompleted)
            {
                this.<>1__state = 0;
                this.<>u__1 = awaiter2;
                this.<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter2, ref this);
                return;
            }
        }
        else
        {
            awaiter2 = this.<>u__1;
            this.<>u__1 = default;
            this.<>1__state = -1;
        }

        awaiter2.GetResult(); // 第一次 await 完成后继续执行

        awaiter1 = Program.RequestGeogle().GetAwaiter();
        if (!awaiter1.IsCompleted)
        {
            this.<>1__state = 1;
            this.<>u__1 = awaiter1;
            this.<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter1, ref this);
            return;
        }

    CONTINUE_SECOND_AWAIT:
        string result = awaiter1.GetResult(); // 第二次 await 完成
        Console.ReadLine(); // 执行剩余同步逻辑
    }
    catch (Exception ex)
    {
        this.<>1__state = -2;
        this.<>t__builder.SetException(ex);
        return;
    }

    this.<>1__state = -2;
    this.<>t__builder.SetResult();
}

四、状态机制总结

  • 状态机通过 <>1__state 字段控制方法的进度，每个 await 语句对应一个状态。
  • 异步操作挂起时，使用 AwaitUnsafeOnCompleted 注册回调以在完成时恢复状态机执行（不涉及任何线程操作，仅挂起当前代码的上下文，空出CPU等待异步完成的回调信号）。
  • 所有本地变量和 TaskAwaiter 都被封装进状态机类中，确保挂起后上下文可以完整恢复。
  • 编译器生成的代码高度优化，最大限度保证性能，兼顾异常传播与上下文一致性。
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