异步 Lambda 表达式问题的探索 - 元视角

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飞鸿踏雪 · 2017-04-16 · via 元视角

各位朋友，大家好，欢迎大家关注我的博客，我是 Payne，我的博客地址是:http://qinyuanpei.com。今天博主想和大家探讨的是，.NET 中异步 Lambda 表达式的问题。为什么要讨论这个问题呢，这或许要从公司首席架构推广内部框架这件事情说起。我其实很久以前就有这种在团队内部做技术演进的想法，即通过公共类库、团队 Wiki 和技术交流等形式逐步地推进和完善团队整体架构的统一，因为一个团队在业务方向和技术选型上基本是一致的，因此团队内的技术演进对提高开发效率和交付质量意义重大，所以我能理解首席架构在内部推广公共类库这件事情，因为除了 KPI 这种功利性的目标以外，从长远来看这些东西对一个团队来说是积极而有利的，可是我们都知道工程师是这个世界上最傲慢的人，如果一个东西设计得不好，他们一定会尝试去改进甚至重新设计，所以架构并非是一种虚无缥缈的、凭空想象出来的东西，它的存在必须是为了解决某种问题。

所以我始终认为，架构设计必须由一线开发人员来提炼和抽象，因为只有真正经历过"坑"的人，才会清楚地知道团队里最需要解决的问题是什么，一个良好的架构绝对不是由某些所谓"专家"闭门造车的结果，你只有真正了解了一个问题，懂得如何去定义一个问题，你才会知道目前这个团队中最迫切需要去解决的问题是什么，虽然说团队里技术层次存在差异，一个技术选型必然会和普通社会学问题一样存在众口难调的情形，可是一个东西设计得不好它就是不好，你不能强迫团队成员必须去使用它，因为这实在有悖于"自由"和"分享"的黑客文化。我相信软件开发没有银弹可言，这意味着它没有一种一劳永逸的解决方案，即使它的抽象层次再高、代码鲁棒性再好，所以团队内部技术演进应该采取"自下而上"的方式，对待工程师最好的方式就是给他们充分的自由，“自上而下"的行政命令不适合工程师文化，自计算机文明诞生以来，那种来自内心深处的"极客思维"决定了我们的基因，所以啊，“请原谅我一生不羁放纵爱自由”。

好了，现在回到这个问题本身，问题产生的根源来自 ICommand 接口，而我们都知道该接口主要承担命令绑定作用。通过 ICommand 接口的定义我们可以知道，ICommand 接口的 Execute 方法是一个同步方法，因此常规的做法如 RelayCommand 或者 DelegateCommand，基本上都是传入一个 Action 来指向一个具体方法，最终 ICommand 接口中的 Execute 方法执行的实际上是这个具体方法。截止到目前为止，这个策略在主流的场景下都实施得非常好，可是我们在引入 Task、async/await 这些新的概念以后，我们突然发现 ICommand 接口存在一个亟待解决的问题，即它缺乏一个支持异步机制的 Execute 方法，显然这是一个历史遗留问题。我开始关注这个问题是当我在同事 John 和 Charles 的项目中看到类似下面的代码，事实上他们都是非常优秀的高级工程师，在对这个问题理解和探讨的过程中，我要特别感谢他们愿意分享他们的想法。我们一起来看看下面的代码：

public RelayCommand RunCommand
{
  get
  {
    return new RelayCommand(async ()=>{
      /* await awaitable */
    });
  }
}

请相信你的眼睛，因为你没有看错，让我倍感纠结的的正是这样一段简单的代码。这段代码让我迷惑的地方有两处，第一，RelayCommand 实现了 ICommand 接口，而 ICommand 接口的 Execute 方法是一个同步的方法，为什么我们可以在这个里传入一个异步方法，并通过 Action 这种委托类型来对其进行包装；第二，Action 是一个 void 类型，即无返回值的委托类型，我们这里显然使用 async 关键字修饰了一个无返回值的方法，因为我们在这个匿名方法内部使用了 await 语法。可是我们知道微软官方的建议是，使用 async 关键字来修饰一个返回值类型为 Task 或者 Task的方法。在我了解到 async 关键字还可以这样使用以后，对第二处疑惑我稍稍有些许释怀，因为事实上 Charles 就是正式通过这种思路来启发我，可我始终无法理解，为什么我们可以在一个同步的方法里执行一段异步代码，并试图去安慰自己说这段代码是异步的，在执行一个非常耗时的任务时界面不会阻塞。

我们的项目需要在整个任务执行过程中输出操作日志，这意味着消息会实时地输出到界面上并且不会阻塞界面。我们在为此设计了一个基于观察者模式的消息队列，所有需要发送实时消息的模块被抽象为一个消息主题，而界面模块、日志模块等被抽象为消息观察者，所有订阅过的消息主题都会将消息推送到消息队列中，这一切目前在设计上是符合业务需求的。可是很快我们就会发现一个问题，使用 await 或者 Wait()方法时，消息并不是实时地发送到界面上去的，因为我们知道 await 或者 Wait()方法会一直等待一个异步任务执行完成，所以消息会在任务结束的一瞬间被全部发送到界面上，这显示是不符合我们的期望的，所以 Execute()方法里执行的必然是一个同步方法，它不会因为我们传入了一个异步方法而改变，况且同步和异步是相对而言的，如果我们将 await 语法修改为 Task.Run()，我们就会发现在异步任务执行完成前同步方法就开始执行了，而这正是我们想要的结果。

在这里我更感兴趣的一个问题是，.NET 框架中的委托、匿名方法、Lambda 表达式和 Task 是不同时期.NET 的产物，那么我们在这里使用一个 async 关键字来修饰一个匿名方法，编译器在处理它的时候到底会怎么做呢？因为我们知道委托会被编译成一个包装类，那么现在在这篇文章中的提到的这个问题背景下，它会有什么不同呢？我们一起来看下面的代码：

static void Main(string[] args)
{
  Action action1 = async () => await DoWorkAsync();
  Action action2 = () => DoWork();
}

我们注意到这里声明了两个 Action，即两个没有返回值的委托类型，它们的不同点在于前者使用了 async/await 这两个关键字，而后者则是一个普通的同步方法，那么这两者生成的 IL 代码是否有区别呢？我们可以通过 IL DASM 或者是 IL Spy 这两个工具来查看 IL 代码：

查看IL代码

我们可以注意到两点，第一，两个委托类型生成的中间代码完全一致，都是CachedAnonymousMethodDelegate，这在某种程度上说明不管 Action 里包装的是一个同步方法还是一个异步方法，最终生成的 IL 代码应该都是相同的。第二，同匿名方法和扩展方法一样，async/await 并未引入新的 IL 指令，async/await 内部应该是在维护一个状态机，这一点和 yield 关键字应该是相似的，并且对于异步的匿名方法(指 voild 类型)，通过 IL 代码可知它是由AsyncVoidMethodBuilder类来生成的，而对于异步的方法(指 Task 和 Task类型)，则是由AsyncTaskMethodBuilder类来生成，需要说明的是这两者在功能上相差无几，唯一的区别就在于异常处理。

关于异步编程中异常的处理，老赵在其博客关于 C#中 async/await 中的异常处理（上）和关于 C#中 async/await 中的异常处理（下）这两篇博客中做了非常详细的解释，建议大家有时间的话去阅读这两篇文章，我们在这里关注结论就好。具体来讲，async Task 或者 async Task方法引发异常时，会捕获异常并将其放置在 Task 对象里，并且只有 Task 对象被 await 时会引发异常。特别地，在调用 Task.WhenAll()方法时，一个 Task 对象中可能会含有多个异常，此时 await 仅仅会重新抛出第一个异常，但是在 Task 上使用 Task.Wait 或 Task.Result 同步阻塞时，所有异常都会用 AggregateException 包装后引发。对于嵌套的 Task，即含有子任务的 Task，应该采用 AggregateException 来获取和处理所有的异常。Task/Task中未捕获的异常可以通过 TaskScheduler.UnobservedTaskException 来处理，这些异常不会继续向上抛导致程序异常退出。 async void 方法引发异常时，因为它没有 Task 对象来放置异常，因此它的异常 SynchronizationContext 上引发，而且因为AsyncVoidMethodBuilder内部并没有使用 TaskScheduler，因此对于 async void 方法来说，线程池中未捕获的异常将会一直向上抛并最终导致程序异常终止，虽然我们可以在 AppDomain.UnhandledException 这个事件中捕捉到这些"未处理的异常”，但这并不能阻止程序异常终止，通过我们可以通过注册这个事件来记录异常日志，以帮助我们快速定位问题。

好了，现在我们回到这篇文章开始的问题，我们现在知道 async Task 和 async Task引发的异常，都不会是程序立即终止，除非我们显式地去 await 一个 Task 对象会引发异常，可是对 async void 来讲，一旦它引发异常，常规的 try-catch 时无法捕捉到异常的，这种"未处理的异常"会一直向上抛并最终导致程序异常终止。我为什么要说这个问题呢，因为我们在文章开始的时候写了一个异步的 lambda 表达式，最终它会被编译为 async void，我们现在应该会了解到，async void 非常容易引发未处理的异常并导致程序异常退出，所以这是微软官方最佳实践中不推荐使用 async void 的原因，因为使用 async void 就意味着我们要去捕获所有的异常。可是对标记为 async 的 lambda 表达式来讲，这个问题是非常隐蔽而且蛋疼的，或许不使用 async void 就是最为正确的选择了吧！

最后，其实坦白讲，我自己是不清楚在这篇文章里我到底说什么的，因为这样一个在项目开发中遇到的问题，其实并不是一个特别重要的内容，因为它实在是太容易被我们给忽略啦。我最初关注这个问题完全是因为好奇，因为我从来没有见到过这种 lambda 表达式的写法，虽然纠结这样一个语法上的问题，和孔乙己讨论茴香豆的"茴"字由几种写法一样，都是一个相当迂腐不堪的表现，可我庆幸这份好奇让我了解到了更多的东西。其实总结下这篇文章中关注的点，主要有：

由同步方法和异步方法包装的委托类型在 IL 层面上是无差别的，委托关注的是参数列表和返回类型，和是否有 async 关键字修饰没有关系。
匿名方法或者 lambda 最终依然会被编译为一个方法，在有 async 关键字修饰的情况下，建议使用 Func 而不是 Action，因为前者可以生成 async Task 或者 async Task，而后者仅仅可以生成 async void。
async Task/async Task和 async void 在异常处理机制上存在差异，前者未处理的异常不会继续向上抛导致程序异常退出，而后者未处理的异常会继续向上抛并导致程序异常退出，因此如果坚持要使用 async void，就一定处理各种异常。

参考文章： Microsoft - async/await - 异步编程中的最佳做法 TianFang - C# 5.0 async 函的提示和技巧

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