async/await 貼臉輸出，這次你總該明白了

出來混總是要還的

最近在準備記錄一個.NET Go核心能力的深度對比， 關於.NET/Go的異步實現總感覺沒敲到點上。

async/await是.NET界老生常談的話題，每至於此，狀態機又是必聊的話題，但是狀態機又是比較晦澀難懂的話題。

[一線碼農大佬]在博客園2020年寫的《await,async 我要把它翻個底朝天，這回你總該明白了吧》手把手實現了異步狀態機，這篇文章很是經典， 但是評論區很多人還是在吐槽看不懂， 我也看的不是很懂。

以我淺薄的推測：

1. 一線大佬的知識體系太寬太深，有的驗證點在文字之外，需要我們自己去確認。
2. 有些內容太細節，挖的太深，出不來。
3. 很多人不熟悉狀態機設計模式， 導致看大佬文章，知其然不知其所以然。

我以前用Go語言演示了狀態機： 我是狀態機，有一顆永遠騷動的機器引擎， 當時有粉絲留言讓用.NET 實現狀態機， 這篇文章也算是對粉絲的喊話。

狀態機:一顆永遠騷動的機器引擎

狀態機是一種行爲設計模式，它允許對象在其內部狀態改變時改變其行爲。看起來好像對象改變了它的類。

請仔細理解上面每一個字。

我們以自動售貨機爲例，爲簡化演示，我們假設自動售貨機只有1種商品， 故自動售貨機有itemCount 、itemPrice 2個屬性

不考慮動作的前後相關性，自動售貨機對外暴露4種行爲：

• 給自動售貨機加貨 addItem
• 選擇商品 requestItem
• 付錢 insertMoney
• 出貨 dispenseItem

重點來了，當發生某種行爲，自動售貨機會進入如下4種狀態之一， 並據此狀態做出特定動作， 之後進入另外一種狀態.....

• 有商品 hasItem
• 無商品 noItem
• 已經選好商品 itemRequested
• 已付錢 hasMoney

當對象可能處於多種不同的狀態之一、根據傳入的動作更改當前的狀態， 繼續接受後續動作，狀態再次發生變化.....

這樣的模式類比於機器引擎，週而復始的工作和狀態轉化，這也是狀態機的定語叫“機Machine”的原因。

有了以上思路，我們嘗試溝通UML 僞代碼

狀態機設計模式的僞代碼實現：

• 所謂的機器Machine維護了狀態切換的上下文
• 機器對外暴露的行爲，驅動機器的狀態變更
• 機器到達特定的狀態 只具備特定的行爲，其他行爲是不被允許的

Go版本的售貨機（狀態機設計模式）的源碼，請參見原文https://www.cnblogs.com/JulianHuang/p/15304184.html。

async/await貼臉開大

還是以一線碼農大佬的異步下載爲例：

編譯器詞法分析定位到async/await語法糖，就會爲開發者生成狀態機代碼。

一個新出爐的狀態機包含如下屬性 ：

(1) 初始化的狀態機，以async所在的函數名命名，示例狀態機爲<GetResult>d__1；

(2）車鑰匙啓動狀態機之後，立馬返回，這正是異步編程的內涵。

一個簡單的、成功的狀態機轉化如圖：

1. 初始狀態

• state= -1；
• Start狀態機； 即時返回。

Program.<GetResult>d__1 stateMachine = new Program.<GetResult>d__1();
stateMachine.<>t__builder = AsyncTaskMethodBuilder<int>.Create();
stateMachine.<>1__state = -1;
stateMachine.<>t__builder.Start<Program.<GetResult>d__1>(ref stateMachine);
return stateMachine.<>t__builder.Task;

車鑰匙Start，內部實際是執行MoveNext方法，
該方法會設置異步任務的TaskAwaiter對象, 緊接着stateMachine進入新的狀態。

2. 異步任務未完成狀態

• 切換到state = 0
• 調用AwaitUnsafeOnCompleted()向底層註冊回調， 2個入參
  • 回調參數1：異步結果TaskAwaiter<TResult>
  • 回調參數2： 當前狀態機

int num1 = this.<>1__state;

if (num1 != 0)
{
    this.<client>5__1 = new WebClient();
    awaiter = this.<client>5__1.DownloadStringTaskAsync(new Uri("http://cnblogs.com")).GetAwaiter();
   if (!awaiter.IsCompleted)
  {
      this.<>1__state = num2 = 0;
      this.<>u__1 = awaiter;
      Program.<GetResult>d__1 stateMachine = this;
     this.<>t__builder.AwaitUnsafeOnCompleted<TaskAwaiter<string>, Program.<GetResult>d__1>(ref awaiter, ref stateMachine);
      return;
  }
}

IO數據就緒，會在IO線程執行回調方法GetCompletionAction，利用入參2：狀態機，再次執行狀態機的MoveNext方法, 進入新的狀態

3. 異步結果就緒狀態

• 切換到state = -1；
• taskAwaiter獲取異步任務結果；
• 執行後繼代碼；

else
{
    awaiter = this.<>u__1;
    this.<>u__1 = new TaskAwaiter<string>();
    this.<>1__state = num2 = -1;
}
this.<>s__3 = awaiter.GetResult();
this.<content>5__2 = this.<>s__3;
this.<>s__3 = (string) null;
content52 = this.<content>5__2;   // 後繼代碼段

4. 狀態機終止狀態

• 切換到state =-2；
• 設置狀態機最終返回值；

this.<>1__state = -2;
this.<client>5__1 = (WebClient) null;
this.<content>5__2 = (string) null;
this.<>t__builder.SetResult(content52);

以上四個狀態的貼臉源碼均截取自ILspy反編譯結果，讀者可將代碼和狀態輪轉圖對比。

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一線碼農大佬講： 一個簡單成功的async/await狀態機會經歷 2次MoveNext動作 ,我是認同的。

一次是狀態機啓動，主動切換狀態；

第二次是IO數據就緒，回調函數會執行原狀態機的MoveNext方法， 這個是在註冊回調的時候確定的。

下面是第二次MoveNext方法的執行堆棧（包含github地址）：

• 第二次StateMachine.MoveNext
  • moveNextRunner.Run();
    • GetCompletionAction回調方法
      • AwaitUnsafeOnCompleted註冊回調

結束語

本文重點從狀態機設計模式的角度，演示了async/await語法糖的內部實現。

通過一個騷動的機器引擎，演示了開啓異步任務---> 異步任務完成---> 設置狀態機輸出結果的全過程，而這4個狀態的變遷又催生了.NET異步編程的帶來的性能優勢。

最後：本文是一線碼農大佬（博客園12349粉絲博主）《異步async/await底朝天》的狗尾續貂，respect ！！！