如果你常看微軟新技術的範例程式碼,應不難發現 async 與 await 關鍵字已如野火燎原,無所不在。 對我這個 .NET 開發老骨頭來說,寫多執行緒、用 Task 處理非同步作業難不倒我,之前甚至也研究過 await Deadlock,但每回要用 async、await 卻有種說不上來的彆扭,琢磨是沒掌握到關鍵心法,以致出招卡卡。

這兩天無意讀到 Matthew Jones 這篇 The Ultimate Guide to Asynchronous Programming in C# and ASP.NET 寫得極其淺顯,通篇沒有半行程式碼,讀完卻讓我有茅塞頓開之感,對 async、await 陌生感大減,極力推薦大家一讀,而這篇則是我摘要整理的筆記。

非同步(Asynchronous)不在於提高效能(Performance),而是增加產能(Throughput)

非同步追求的是在相同時間內處理更多請求,而非以更快的速度處理掉一個請求。總體來看,同樣的請求量在更短時間內做完,說成「效能變好」也不算錯,但要記住,非同步的核心精神在於減少等待,讓執行緒同時處理更多作業藉以提升產能。

作者用廚房的例子說明同步與非同步處理。同步廚房的每道菜都要指派一位廚師全程負責,從接受訂單,切菜備料到送進烤箱,之後在烤箱旁乾等滑手機等待烘焙完成出菜。非同步廚房則採機動調度,等待焗烤期間廚師可轉去處理其他菜肴。想當然爾,非同步廚房可以用更少的廚師做出更多的菜。

非同步不等於多執行緒

多緒執行的精神在於建立多條執行緒,將多個工作交給不同執行緒個別處理,靠分工加速;而非同步的重點則是允許執行緒在等待時間先處理其他作業(Task,也可翻譯為工作,個人偏好作業,以與 Work 區隔),透過消除閒置增加產能。

.NET 實現非同步作業的做法是在需要等待時建立 SynchronizationContext,讓執行緒中斷作業先去處理其他作業,等待結束後再回頭繼續後半段。而繼續執行作業的執行緒可以是當初建立 SynchronizationContext 的那一條執行緒,也可以是其他執行緒。

非同步只對 I/O 相關作業有效,對吃 CPU 的作業沒轍

由前面的說明,我們知道非同步提升產能的關鍵在於善用等待時間先處理其他作業。當作業涉及大量消耗 CPU 的重度運算 ,代表執行緒將從頭忙到尾,既然不會閒下來等待,也就不可能分神再處理其他作業。 相反的,若作業涉及外部資源或與 I/O 相關,例如:存取資料庫、呼叫 Web API,等待回應的期間即可透過非同步讓執行緒先處理其他作業。

換言之,若是一堆吃 CPU 的作業,增加執行緒肯定可以加速;若為要等待 I/O 回應的作業,增加執行緒用處不大,改為非同步作業才算對症下藥。

async 像病毒一樣會傳染

這是開始寫 async/await 肯定非常有感的一件事 - async 具有傳染性,一旦你在方法前面加上 async 關鍵字,不得了, 裡面呼叫外部方法必須加上 await 才合規格,而要加 await 該外部方法順理成章也得加上 async,接著外部方法中又被要求使用 await... 像病毒般一路蔓延。 此一設計的理由是為了避免同步與非同步寫法混用以防止在 GUI/ASP.NET 情境產生 Deadlock。(註:作者的第二篇文章有 Deadlock 實例,或者也可參考我的舊文 await與Task.Result/Task.Wait()的Deadlock問題)

回傳型別

宣告為 async 的 .NET 方法必須傳回以下三種型別之一:

  1. Task
    作業結束時將控制權還給呼叫端
  2. Task<T>
    作業結束時回傳型別為 T 的物件給呼叫端
  3. void
    採射後不理(Fire-and-Forget)哲學,呼叫後即失去掌握
    async void 在實務上不應使用,事件處理器是唯一例外

如何將同步程式重構為非同步

因為 async 像病毒會傳染,如要將同步寫法程式重構為非同步,建議採「由下而上」(Bottom-Up)策略。若物件模型有多層,例如:User 擁有 Album 及 Blog,而 Album 包含 Photo、Blog 包含 Post。建議先從底層物件(Photo、Post)開始加上 async 改成同步化,再逐步向上調整。若從上層 User 加上 async,Blog 與 Album 要跟著改,接著又迫使 Post 與 Photo 也得調,一次牽動的幅度較大。

讀後心得

過去我對非同步的應用觀念侷限於 UI 操作,想的都是 WPF、WinForm 或網頁的按鈕動作採非同步執行避免畫面凍結。擴及到 AJAX HTTP 請求上,我總認為每個 HTTP Request都是一去一回,本質已是同步化流程,ASP.NET 又何必扯上 async 庸人自擾?

體認到「非同步能消除等待閒置,更充分利用執行緒資源」的核心精神,便不難理解 async 是讓相同數量的執行緒處理更多 HTTP Request 的捷徑,意味著相同的網站硬體藉由 ASP.NET 非同步化就能達成更高的產能(Throughput),這等好事,不試一下嗎?

有了這層認知,理解 ASP.NET 採用 async 的優點,未來開發 ASP.NET / ASP.NET Core 專案,建議一開始就貫徹 Async All the Way,省去之後的重構工程。

對非同步實做有興趣深入了解的同學,推薦蔡煥麟老師一系列精彩的剖析文章:

This post, which is based on Matthew Jones's article, gives the basic concept of async ASP.NET programming.


Comments

# by Steve

謝謝你的分享 總是很受用

# by Rico

https://www.huanlintalk.com/2013/01/aspnet-application-and-asynchronous.html huanlin大的裡面提到 兩種執行緒集區:CLR 管理的執行緒集區有兩種: worker thread pool 和 I/O thread pool。 兩種集區裡面的執行緒是同樣的東西,之所以分成兩個集區,主要是希望應用程式依實際用途來選擇適當的集區,以免經常發生執行緒耗盡的情形。 個人想法: 覺得這種說法比較很好懂,就是你越省worker thread 就可以服務越多http request (個人想法有錯請大家鞭,別客氣)

# by Jeffrey

to Rico, 蔡煥麟老師的文章對非同步機制底層運作又做了更深層的剖析,解釋得十分清楚易懂,已收錄於本文,謝謝你的分享。

# by 過路人

感謝黑大 來仔細使搭底先

# by 卡比

過去我對非同步的應用觀念侷限於 UI 操作,想的都是 WPF、WinForm 或網頁的按鈕動作採非同步執行避免畫面凍結 << exactly

# by Ecohover

像病毒一樣真的是很貼切的說法,每次都被這樣的狀況困擾,看到這篇有點體悟了。

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