C#关于在返回值为Task方法中使用Thread.Sleep引发的思考

起因

最近有个小伙伴提出了一个问题,就是在使用.net core的BackgroundService的时候,对应的ExecuteAsync方法里面写如下代码,会使程序一直卡在当前方法,不会继续执行,代码如下:

复制代码12345678910public class BGService : BackgroundService
{
    protected override Task ExecuteAsync(CancellationToken stoppingToken)
    {
        while (true)
        {
            Thread.Sleep(1000);
        }
    }
}

其实这个问题我们还是对Task和异步执行过程理解不够深入导致的,所以本篇文章笔者就以这个问题来对Task和异步方法执行过程来做源码的探究。
PS:本文只贴出重要的代码和注释,不是其全部的代码,读者多关注下注释。

解析Thread.Sleep和Task.Delay的区别

  • Thread.Sleep分析
    它会挂起当前执行线程指定时间(调用了系统内核的方法),而这时候当前线程是不能做任何其他的事情,只能等待指定时间后再执行。最终执行的代码如下图:
复制代码12345private static void SleepInternal(int millisecondsTimeout)
{
    //这是Windows平台,不同平台调用的方法不一样
    Interop.Kernel32.Sleep((uint)millisecondsTimeout);
}
  • Task.Delay分析
    它的执行实际上是交给了TimerQueueTimer,也就是定时器队列(每个进程里,所有的timer执行都在一个TimerQueueTimer队列集合里面),在指定时间后回调方法,由ThreadPool中的线程执行。实际执行代码如下图:
复制代码12345678910111213141516171819202122232425262728293031public static Task Delay(int millisecondsDelay, CancellationToken cancellationToken)
{
    if (millisecondsDelay 
    cancellationToken.IsCancellationRequested ? FromCanceled(cancellationToken) :
    millisecondsDelay == 0 ? CompletedTask :
                                          //它继承自DelayPromise,只不过加了CancellationTiken
    cancellationToken.CanBeCanceled ? new DelayPromiseWithCancellation(millisecondsDelay, cancellationToken) :
    //最终执行这个
    new DelayPromise(millisecondsDelay);

internal DelayPromise(uint millisecondsDelay)
{
    if (millisecondsDelay != Timeout.UnsignedInfinite)
    {
        //把任务放到定时队列里
        _timer = new TimerQueueTimer(s_timerCallback, this, millisecondsDelay, Timeout.UnsignedInfinite, flowExecutionContext: false);
        //如果已经完成了,就把这个销毁掉
        if (IsCompleted)
        {
            _timer.Close();
        }
    }
}

总结来说:
1.Thread.Sleep会让当前执行线程挂起一段时间,而在挂起的过程中,不能去干其他的事情,影响线程池对线程的调度,间接影响系统的并发性。
2.Task.Delay由创建定时队列消息,在指定时间之后由线程池去处理Callback,而在这指定时间内是由系统去调度的(这里可能我理解不对),而当前执行线程可以继续干其他事情。

多线程和异步

Task任务默认情况下是通过线程池中的空闲线程去执行,除非设置LongRunning才会单独开启一个Thread去执行。一般来说多线程只是异步编程实现的一种方式,

  • 多线程
    并行的处理一些任务,尤其是多核CPU,充分利用CPU的性能,增加任务的处理效率,如Paraller并行库等。
  • 异步
    IO密集型操作:如Web应用在进行数据库操作,文件操作或者调用外部接口,发生磁盘IO或者网络IO时,如果非异步操作,会使当前执行线程一直保持等待事件的完成,而不做其他的处理,导致资源被浪费。如果是异步操作,当前执行线程在出发IO操作后,线程不需要等待事件的完成再去操作,而可以由线程池调度执行其他的请求,那么当事件完成后,由操作系统硬件去通知,然后再有线程池去调度线程去执行。所以我们可以发现在执行异步方法时,await前和await后不一定是相同一个线程去执行,可能会切换线程(可以对比前后的线程Id)。
    CPU密集型操作:如进行大量的计算任务,需要CPU一直调度,我们在WinForm或者WPF中可能会有很深的体会。假如我们执行一个很复杂的计算任务,如果是同步的话,用户得一直等待计算完成,UI才会展示,如果是异步的话,用户不用等待计算完成,UI直接就正常显示和操作,而这部分计算由线程池提供的线程独立其执行,而不影响当前执行线程的操作。

Async和Await

一般来说我们使用Await和Async是一起使用的,但是它存在其传播性,它本身实际上是个语法糖,算是隐性的调用ContinueWith方法,在执行完成后继续执行其他任务,接下我们来解析下他是怎么执行的。我们看下如下代码:

复制代码1234public async Task AA() {
    await Task.Delay(1000);
    Console.WriteLine(\"执行到我了\");
}

实际上上面的代码在编译之后,会形成一个状态机(只有标识是async的才会被编译成状态机的形式),具体代码如下(含注释),

复制代码1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556575859606162636465666768697071727374public class C
{
    [StructLayout(LayoutKind.Auto)]
    [CompilerGenerated]
    private struct d__0 : IAsyncStateMachine  //所有的异步方法都继承自它
    {
        //初始值是-1
        public int 1__state;
        //异步任务方法构造器
        public AsyncTaskMethodBuilder t__builder;

        private TaskAwaiter u__1;

        private void MoveNext()
        {
            int num = 1__state;
            try
            {
                TaskAwaiter awaiter;
                if (num != 0)
                {    
                    //在有标识await的地方,会调用对应Task的GetAwaiter()方法,但是它还是会以当前执行线程去调用Task.Delay。
                    awaiter = Task.Delay(1000).GetAwaiter();
                    //当await是未完成状态
                    if (!awaiter.IsCompleted)
                    {
                        num = (1__state = 0);
                        u__1 = awaiter;
                        //重点是这个方法,里面实际上是执行了ContinueWith,而在Task执行完成之后,又调用其MoveNext方法(这时候可能是不同的线程去执行的)。
                        t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted(ref awaiter, ref this);
                        return;
                    }
                }
                else
                {
                    awaiter = u__1;
                    u__1 = default(TaskAwaiter);
                    num = (1__state = -1);
                }
                awaiter.GetResult();
                //在获取到值之后,继续执行await后面的代码
                Console.WriteLine(\"执行到我了\");
            }
            catch (Exception exception)
            {
                1__state = -2;
                t__builder.SetException(exception);
                return;
            }
            1__state = -2;
            t__builder.SetResult();
        }

        void IAsyncStateMachine.MoveNext()
        {
            this.MoveNext();
        }
    }
    
    //AA整个异步方法被编译成这样
    [AsyncStateMachine(typeof(d__0))]
    public Task AA()
    {
        //构建状态机
        d__0 stateMachine = default(d__0);
        //创建异步任务方法构造器
        stateMachine.t__builder = AsyncTaskMethodBuilder.Create();
        stateMachine.1__state = -1;
        //执行Start方法
        stateMachine.t__builder.Start(ref stateMachine);
        //返回当前Task
        return stateMachine.t__builder.Task;
    }
}

我们来看AA异步方法,被编译成一个完全不同的方法,在d__0中有一个MoveNext方法,来执行Task和原来await后面的代码。
AA方法中stateMachine.t__builder.Start(ref stateMachine);我们看一下到底执行了什么,如下:

复制代码1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435public struct AsyncTaskMethodBuilder
{
    [DebuggerStepThrough]
    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public void Start(ref TStateMachine stateMachine) where TStateMachine : IAsyncStateMachine =>
        AsyncMethodBuilderCore.Start(ref stateMachine);
}

internal static class AsyncMethodBuilderCore 
{
    [DebuggerStepThrough]
    public static void Start(ref TStateMachine stateMachine) where TStateMachine : IAsyncStateMachine
    {
        if (stateMachine == null) // TStateMachines are generally non-nullable value types, so this check will be elided
        {
            ThrowHelper.ThrowArgumentNullException(ExceptionArgument.stateMachine);
        }

        Thread currentThread = Thread.CurrentThread;
        //当前线程的执行上下文
        ExecutionContext? previousExecutionCtx = currentThread._executionContext;
        //当前线程的同步上下文
        SynchronizationContext? previousSyncCtx = currentThread._synchronizationContext;

        try
        {    
            //这里当前执行线程开始执行状态机的MoveNext方法
            stateMachine.MoveNext();
        }
        finally
        {
            //此处省略,主要是防止上下文改变,设置上下文。
        }
    }
}

在MoveNext方法里面,我们继续看,如果当前Task的状态是未完成的话,那么会执行一个叫做AwaitUnsafeOnCompleted的方法,我们看如下代码:

复制代码123456789101112131415161718192021222324252627282930public struct AsyncTaskMethodBuilder
{
    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveOptimization)] 
    internal static void AwaitUnsafeOnCompleted(
        ref TAwaiter awaiter, IAsyncStateMachineBox box)
        where TAwaiter : ICriticalNotifyCompletion
    {
        //一般来说当前await是TaskAwaiter继承自ITaskAwaiter,所以会计入这个判断
        if ((null != (object?)default(TAwaiter)) && (awaiter is ITaskAwaiter))
        {
            ref TaskAwaiter ta = ref Unsafe.As(ref awaiter);
            //这个box,里面包含MoveNext方法。
            TaskAwaiter.UnsafeOnCompletedInternal(ta.m_task, box, continueOnCapturedContext: true);
        }
        //省略部分代码。。。
    }
}
public readonly struct TaskAwaiter : ICriticalNotifyCompletion, ITaskAwaiter
{
    internal static void UnsafeOnCompletedInternal(Task task, IAsyncStateMachineBox stateMachineBox, bool continueOnCapturedContext)
    {
        Debug.Assert(stateMachineBox != null);
        //这里省略了if判断
        else
        {
            //执行当前TaskContinuationForAwait,也就类似ContinuWith,当前的task的ContinuWith就是执行MoveNext方法
            task.UnsafeSetContinuationForAwait(stateMachineBox, continueOnCapturedContext);
        }
    }
}

总结来说:
1.带有Async的异步方法会在编译之后生成状态机。
2.当前执行线程会一直执行,把对应的MoveNext放到task的Continuation里面,也就是当作task完成的延续任务(回调事件)。
3.当前线程不是在执行异步任务的时候切换线程,而是一直执行方法内部,直到内部方法执行完成,所以我们在编写自定义的Task方法时,应该保证该方法能够进行立即的返回Task,不要执行过多的其他事情。
4.当发生线程切换时(也可能不切换),其实是看线程池的调度,让哪个线程去执行对应的Callback(MoveNext方法),所以我们有时候在调试时可以发现在await前和await之后其实可能不是一个线程id。
5.其实我们想一下WinForm和WPF的应用使用异步编写,其实当前执行线程已经返回了Task(异步方法编译后,是直接返回Task),也就是说执行完了,所以没有造成阻塞,而后来UI上的还能显示对应的元素,是因为任务调度完成,由其他线程去执行了这个操作,而这个线程保持了执行上下文和同步上下文。

结果

1.从上述解析可以看出,当在BackgroundService中直接在While循环里面写Thread.Sleep,当前执行线程会一直执行这段代码,也就是卡到这个while了,具体到编译后的代码就是卡到stateMachine.t__builder.Start(ref stateMachine),然后不会再继续往下执行了。
2.当我们使用async和await之后,并将Thread.Sleep替换为Task.Delay之后,当前方法就被编译成状态机,在当前线程执行到awaiter = Task.Delay(1000).GetAwaiter()之后,把当前MoveNext添加到这个Task的Continution,然后直接返回了Task,这样并不会阻塞当前线程继续往下执行,而后面的事情交给线程池空闲线程去执行。
3.如果我们不使用async和await的话,那么我们可以启动一个Task.Run(建议将TaskCreationOptions设置为LongRunning),这样的话该方法直接返回了Task,也不会阻塞当前线程继续往下执行。
4.对于Thread.Sleep在异步编程中不建议使用,建议使用Task.Delay,这样线程能够被更有效的利用起来。

以上就是笔者的看法,因为篇幅问题,没有贴太多的代码,有兴趣的小伙伴可以去看看源码就了解了,总结的可能会有一些理解错误的地方,还请评论指正。

C#关于在返回值为Task方法中使用Thread.Sleep引发的思考

本文作者:SnailZz

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