原文出處：Pointer-SMQ的博客，已將所有圖片改爲代碼方便觀看
這一個系列的文章主要來講 C# 中的語言特性 async-await 在語言層面的本質，我們都知道 await 是編譯器進行了一個 rewrite，然而這個 rewrite 並不是直接 rewrite 成其他沒有原生支持 await 的語言的 lambda 回調的形式，而是整個對方法進行了重寫，下面就讓我們來從最簡單的方法，一步一步剖析 await 糖的工作機制。
一個 async 方法，就是你在代碼執行到一半的時候，告訴電腦：我要把函數返回，你先去幹別的事情（比如 UI 操作），等我這邊的事完成之後，再回復現場繼續從剛纔返回的地方執行。方法的執行是依靠狀態機驅動的，一系列的 MoveNext 方法推動狀態機的執行，編譯器則會將方法分而治之，把 async 方法體拆分成許多部分，每一部分是一個狀態機中的狀態，放進 MoveNext 中
新建一個控制檯工程，我們從最簡單的 async 方法開始：FooAsync
using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
namespace StateMachineDemo
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
}
public static async void FooAsync()
{
return;
}
}
}編譯器已經提示我這個 async 標識符沒卵用了，沒關係
然後我們再寫一個方法來對照被編譯器重寫過的方法：FooAsync2
using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
namespace StateMachineDemo
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
}
public static async void FooAsync()
{
return;
}
public static void FooAsync2()
{
}
}
}這還沒完，一個異步方法中執行的各項操作，運算，中間暫停然後返回，最後 return 結果，是由狀態機推動的，所以我們手動 rewrite 的 FooAsync2 方法中需要一個狀態機，並且要實現系統的 IAsyncStateMachine 接口。
using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
namespace StateMachineDemo
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
}
public static async void FooAsync()
{
return;
}
public static void FooAsync2()
{
}
public struct FooAsyncStaticMachine : IAsyncStateMachine
{
public void MoveNext()
{
throw new NotImplementException();
}
public void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine)
{
throw new NotImplementException();
}
}
}
}state machine 是一個 struct，默認情況下一個 async 方法不需要等待，所以我們不希望有一個在堆上的東西來增加我們的運行負擔。
你可以看到這個接口要求兩個方法，第二個我們之後再講，你可能會奇怪爲什麼一個 IAsyncStateMachine 實例需要 SetStateMachine 另一個實例（後面會說，這其實是他自己），由於我們的 state machine 是一個 struct，所以當方法 await 的時候，整個棧就回退給其他方法來用了，所以你需要把這個 state machine 以及其他的參數轉移到堆上，然後用這個方法來獲得他自己，這個時候堆上的對象的運行時消耗纔是值得的。而 MoveNext 就是之前我們說過的用來推動整個方法運行的方法。
方法裏已經裝了一個 state machine 的實例了，然後我們來看看誰要來驅動着方法一步一步向前走，當控制流回到方法內部的時候他需要來執行一些操作，儘管我們這裏的方法什麼都沒幹，我們還是要把所有的機構都弄好。我們需要一個 AsyncMethodBuilder，這個東西也已經在 System.Runtime.CompilerServices 裏面提供了。
using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
namespace StateMachineDemo
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
}
public static async void FooAsync()
{
return;
}
public static void FooAsync2()
{
var stateMachine = new FooAsyncStaticMachine();
stateMachine.MethodBuilder = new AsyncVoidMethodBuilder();
}
public struct FooAsyncStaticMachine : IAsyncStateMachine
{
public void MoveNext()
{
throw new NotImplementException();
}
public void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine)
{
throw new NotImplementException();
}
}
}
}這個 method builder 放在了狀態機內，因爲方法可能返回而我們一直需要它，所以要藉助 state machine 轉移到棧上的同時把它一起轉移了。AsyncVoidMethodBuilder 也是一個 struct，同樣也是我們不希望堆上的東西增加額外的運行時負擔。
method builder 是我們在控制流開始，await，返回的時候應該去使用的東西，這個東西應該在 MoveNext 函數中被使用，這裏我們的方法什麼都沒幹，所以 MoveNext 中只有一個狀態的轉移：開始->返回。返回通過 method builder 的 SetResult 方法完成，所有的 return 都會被 rewrite 成 SetResult。
using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
namespace StateMachineDemo
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
}
public static async void FooAsync()
{
return;
}
public static void FooAsync2()
{
var stateMachine = new FooAsyncStaticMachine();
stateMachine.MethodBuilder = new AsyncVoidMethodBuilder();
}
public struct FooAsyncStaticMachine : IAsyncStateMachine
{
public void MoveNext()
{
MethodBuilder.SetResult();
}
public void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine)
{
throw new NotImplementException();
}
}
}
}最後方法怎麼開始呢？我們看看 method builder 有沒有 Start 方法，哈！有。Start 方法需要 state machine 的引用，爲什麼需要，因爲 method builder 需要在方法一步步進行的時候調用 ModeNext，爲什麼要引用，這也說的通，方法的狀態只需要一份，使用引用，避免拷貝，以及 state machine 有可能在棧上（現在這樣）也有可能在堆上，需要用引用來指向它。
using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
namespace StateMachineDemo
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
}
public static async void FooAsync()
{
return;
}
public static void FooAsync2()
{
var stateMachine = new FooAsyncStaticMachine();
stateMachine.MethodBuilder = new AsyncVoidMethodBuilder();
stateMachine.MethodBuilder.Start(ref stateMachine);
}
public struct FooAsyncStaticMachine : IAsyncStateMachine
{
public void MoveNext()
{
MethodBuilder.SetResult();
}
public void SetStateMachine(IAsyncStateMachine stateMachine)
{
throw new NotImplementException();
}
}
}
}現在的 FooAsync2 就是 async 方法 FooAsync 被 rewrite 之後的樣子。我們在 Main 裏調用 FooAsync2，單步執行
從調用堆棧看，Start 方法調用了 MoveNext，然後我們的 MoveNext 方法就像 FooAsync 一樣，什麼都沒幹，直接 SetResult 然後返回，然後 Start 返回，FooAsync2 返回，Main 返回，一個沒卵用的異步方法完成了。
這樣就是一個最簡單的異步方法被 rewrite 之後的樣子，這一篇就到這裏，下一篇講講稍微複雜點的方法。