async/await 贴脸输出，这次你总该明白了

最近在准备.NET Go核心能力的深度对比.note， 关于.NET/Go的异步实现总感觉没敲到点上。

async/await是.NET界老生常谈的话题，每至于此，状态机又是必聊的话题，但是状态机又是比较晦涩难懂的话题。

[一线码农大佬]在博客园2020年写的《await,async 我要把它翻个底朝天，这回你总该明白了吧[1]》手把手实现了异步状态机，这篇文章很是经典， 但是评论区很多人还是在吐槽看不懂， 我也看的不是很懂。

以我浅薄的推测：

1. 1. 一线大佬的知识体系太宽太深，有的验证点在文字之外，需要我们自己去确认。
2. 2. 有些内容太细节，挖的太深，出不来。
3. 3. 很多人不熟悉状态机设计模式， 导致看大佬文章，知其然不知其所以然。
4. 本次延续一线码农原始demo，记录我的理解。

我以前用Go语言演示了状态机： 我是状态机，有一颗永远骚动的机器引擎[2]， 当时有粉丝留言让用.NET 实现状态机， 这篇文章也算是对粉丝的喊话。

状态机:一颗永远骚动的机器引擎

状态机是一种行为设计模式，它允许对象在其内部状态改变时改变其行为，对象看起来好像修改了它的类。

请仔细理解上面每一个字。

我们以自动售货机为例，为简化演示，我们假设自动售货机只有1种商品， 故自动售货机有itemCount 、itemPrice 2个属性

不考虑动作的前后相关性，自动售货机对外暴露4种行为：

• • 给自动售货机加货 addItem
• • 选择商品 requestItem
• • 付钱 insertMoney
• • 出货 dispenseItem

重点来了，当发生某种行为，自动售货机会进入如下4种状态之一， 并据此状态做出特定动作， 之后进入另外一种状态.....

• • 有商品 hasItem
• • 无商品 noItem
• • 已经选好商品 itemRequested
• • 已付钱 hasMoney

当对象可能处于多种不同的状态之一、根据传入的动作更改当前的状态， 继续接受后续动作，状态再次发生变化.....

这样的模式类比于机器引擎，周而复始的工作和状态转化，这也是状态机的定语叫“机Machine”的原因。

有了以上思路，我们尝试沟通UML 伪代码

状态机设计模式的伪代码实现：

• • 所谓的机器Machine维护了状态切换的上下文
• • 机器对外暴露的行为，驱动机器的状态变更
• • 机器到达特定的状态 只具备特定的行为，其他行为是不被允许的

Go版本的售货机（状态机设计模式）的源码，请参见原文https://www.cnblogs.com/JulianHuang/p/15304184.html。

async/await贴脸输出

还是以一线码农大佬的异步下载为例：

编译器词法分析定位到async/await语法糖，就会为开发者生成状态机代码。

一个新出炉的状态机包含如下属性 ：

(1) 初始化的状态机，以async所在的函数名命名，示例状态机为<GetResult>d__1；

(2) 车钥匙启动状态机之后，立马返回，这正是异步编程的内涵。

一个简单的、成功的状态机轮转图（很重要、很重要、很重要）：

1. 初始状态

• • state= -1；
• • Start状态机；即时返回。

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;

用车钥匙Start，内部实际是执行MoveNext方法[3]， 该方法会设置等待异步任务完成TaskAwaiter对象, 紧接着stateMachine切换到新的状态。

2. 异步任务未完成状态

• • 切换到state = 0
• • 调用AwaitUnsafeOnCompleted()向底层注册回调， 2个入参[4]
  • • 回调参数1：等待异步任务结果的对象TaskAwaiter<TResult>
  • • 回调参数2：当前状态机

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数据就绪，会在IO线程执行回调方法GetCompletionAction，利用入参2：状态机，再次执行状态机的MoveNext方法, 进入新的状态。

3. 异步结果就绪状态

• • 切换到state = -1；
• • taskAwaiter获取异步任务结果；
• • 执行后继代码；

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;   // 后继代码段

若过程无异常的，进入状态机终止状态。

4. 状态机终止状态

• • 切换到state =-2；
• • 设置状态机最终返回值；

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

以上四个状态的贴脸源码均截取自ILspy反编译结果，读者可将代码和状态轮转图对比。

一线码农大佬讲：一个简单成功的async/await状态机会经历 2次MoveNext动作 ,我是认同的。

一次是状态机启动时执行，主动切换状态；

第二次是IO数据就绪，回调函数会执行原状态机的MoveNext方法， 这个是在注册回调的时候确定的。

下面是第二次MoveNext方法的执行堆栈（包含github地址）：

• • 第二次StateMachine.MoveNext[5]
  • • GetCompletionAction回调方法[7]
  • • AwaitUnsafeOnCompleted注册回调[8]
  • • moveNextRunner.Run()[6];

结束语

本文重点从状态机设计模式的角度，演示了async/await语法糖的内部实现。

通过一个骚动的机器引擎，演示了开启异步任务---> 异步任务完成---> 设置状态机输出结果的状态变迁，而这4个状态的变迁又催生了.NET异步编程的性能优势。

最后：本文是一线码农大佬《异步async/await底朝天》的狗尾续貂，respect ！！！

文字和图片均为原创，一家之言，欢迎留言吐槽。

引用链接

[1] 一线码农大佬]在博客园2020年写的《[await,async 我要把它翻个底朝天，这回你总该明白了吧: https://www.cnblogs.com/huangxincheng/p/13558006.html [2] 我是状态机，有一颗永远骚动的机器引擎: https://www.cnblogs.com/JulianHuang/p/15304184.html [3] 车钥匙Start，内部实际是执行`MoveNext`方法: https://github.com/OmerMor/AsyncBridge/blob/aa806b61be32363934378ffc2df979dc8b34ea88/src/AsyncBridge/Runtime.CompilerServices/AsyncMethodBuilderCore.cs#L27 [4] `AwaitUnsafeOnCompleted()`向底层注册回调， 2个入参: https://github.com/OmerMor/AsyncBridge/blob/aa806b61be32363934378ffc2df979dc8b34ea88/src/AsyncBridge/Runtime.CompilerServices/AsyncTaskMethodBuilder.cs#L328 [5] 第二次StateMachine.MoveNext: https://github.com/OmerMor/AsyncBridge/blob/aa806b61be32363934378ffc2df979dc8b34ea88/src/AsyncBridge/Runtime.CompilerServices/AsyncMethodBuilderCore.cs#L137 [6] moveNextRunner.Run(): https://github.com/OmerMor/AsyncBridge/blob/aa806b61be32363934378ffc2df979dc8b34ea88/src/AsyncBridge/Runtime.CompilerServices/AsyncMethodBuilderCore.cs#L64 [7] GetCompletionAction回调方法: https://github.com/OmerMor/AsyncBridge/blob/aa806b61be32363934378ffc2df979dc8b34ea88/src/AsyncBridge/Runtime.CompilerServices/AsyncMethodBuilderCore.cs#L59C25-L59C44 [8] AwaitUnsafeOnCompleted注册回调: https://github.com/OmerMor/AsyncBridge/blob/aa806b61be32363934378ffc2df979dc8b34ea88/src/AsyncBridge/Runtime.CompilerServices/AsyncTaskMethodBuilder.cs#L334C50-L334C69