学习迭代器实现C#异步编程——仿async/await（一）

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　　.NET 4.5的async/await真是个神奇的东西，巧妙异常以致我不禁对其实现充满好奇，但一直难以窥探其门径。不意间读了此篇强文《Asynchronous Programming in C# using Iterators》，犹如醍醐灌顶，茅厕顿开，思路犹如尿崩。美玉不敢独享，故写此篇，将所学中一些思考与诸君共享，期抛砖引玉，擦出一些基情火花……

　　强文《Asynchronous Programming in C# using Iterators》出自大牛，大牛眼界高远。故文中所述较为简略，而文中所附代码亦较为晦涩，鄙人驽钝，反复阅读思考数十遍，方品出些味道。故本篇会对原文代码一个最简化的提取，再进行分析。

　　强文提到的用迭代器在C#中进行异步编程，最核心的思想就是通过yield return产生一个可IEnumerable<Asyncable>的集合，取出第一个Asyncable，执行Async方法并立即返回，将控制权交给上层调用方，同时Async方法在完成后会回调MoveNext继续遍历之前集合。(本篇提到的最底层的Async方法均是以Begin/End来实现，之前的随笔也说过async/await只是语法糖)

　　大概画了个草图意思一下，花了很久时间也没能画得特别清晰明了，请见谅，有好的想法还望赐教。

　　接下来我们根据具体的代码来分析，首先看一下Main方法。第一行是一个异步方法，我们期待的结果是第二行的输出在异步方法结束前执行。

        static void Main(string[] args)
        {
            AsyncMethod("http://www.microsoft.com").Execute();

            Console.WriteLine("我先执行，不等你了");

            Console.ReadLine();
        }

　　AsyncMethod方法返回了一个IEnumerable<IAsync>的集合，这里需要注意的是AsyncMethod方法的返回值其实是一个类似状态机的类对象，这个对象本身不会执行内部的代码语句，我们需要一个Execute方法来开始遍历运行这个集合里的代码语句。而AsyncMethod方法里的语句又根据yield return的个数来划分成块，每一次MoveNext方法其实是执行一块的代码。也就是说存在多少个yield return，就会有多少次回调。

        static IEnumerable<IAsync> AsyncMethod(string url)
        {
            WebRequest req = HttpWebRequest.Create(url);
            Console.WriteLine("[{0}] starting", url);

            // asynchronously get the response from http server
            Async<WebResponse> response = req.GetResponseAsync();
            yield return response;

            Console.WriteLine("[{0}] got response", url);
            Stream resp = response.Result.GetResponseStream();

            foreach (var item in resp.ReadToEndAsync())
            {
                yield return item;
            }

            Console.WriteLine("done");
        }

　　GetResponseAsync方法看上去很简单，就是封装了一下Beginxx/Endxxx。为什么说看上去简单，后面会提到。AsyncPrimitive就是我们会接触到最底层的Asyncable对象了，本篇一切异步都是基于它来实现的。

        public static Async<WebResponse> GetResponseAsync(this WebRequest req)
        {
            return new AsyncPrimitive<WebResponse>(req.BeginGetResponse, req.EndGetResponse);
        }

　　ReadToEndAsync和AsyncMethod方法一样，是建立在可返回Async<T>对象的已有Async方法的基础上。

        public static IEnumerable<IAsync> ReadToEndAsync(this Stream stream)
        {
            MemoryStream ms = new MemoryStream();
            int read = -1;
            while (read != 0)
            {
                byte[] buffer = new byte[512];
                Async<int> count = stream.ReadAsync(buffer, 0, 512);
                yield return count;

                Console.WriteLine("[{0}] got data: {1}", "url", count.Result);
                ms.Write(buffer, 0, count.Result);
                read = count.Result;
            }
        }

　　ReadAsync同样是通过Beginxxx/Endxxx来实现异步。他和GetResponseAsync一样是建立在AsyncPrimitive对象上的Async方法。

        public static Async<int> ReadAsync(this Stream stream, byte[] buffer, int offset, int count)
        {
            return new AsyncPrimitive<int>(
                (callback, st) => stream.BeginRead(buffer, offset, count, callback, st),
                stream.EndRead);
        }

　　下面让我们重点来看一下AsyncPrimitive类，你可能已经发现这个类和Task<T>.Factory.FromAsync方法有点相似。可是如果让自己来实现，怕不是想象的那么简单。

    public class AsyncPrimitive<T> : Async<T>
    {
        Action<Action<T>> func;

        public AsyncPrimitive(Func<AsyncCallback, object, IAsyncResult> begin, Func<IAsyncResult, T> end)
        {
            this.func = (cont) => begin(delegate(IAsyncResult res) { cont(end(res)); }, null);
        }

        public override void ExecuteStep(Action cont)
        {
            func((res) =>
            {
                result = res;
                completed = true;
                cont();
            });
        }
    }

　　完全由委托、匿名方法和lambda表达式组成的类。在ExecuteStep被调用前，它不会做任何事情，仅仅是构建了一个Action<Action<T>>的委托。那么分析这个类才是本篇最主要的目的，但难点在于这货不是三言两语就能说清楚的，鄙人在晕乎了很久很久以后，将该类翻译如下，去除了所有的匿名方法和lambda表达式。看明白了这个类，就明白了通过迭代器是如何实现异步的。

    public class AsyncPrimitive<T> : Async<T>
    {
        Action<Action<T>> func;

        public AsyncPrimitive(Func<AsyncCallback, object, IAsyncResult> begin, Func<IAsyncResult, T> end)
        {
            this.Begin = begin;
            this.End = end;

            this.func = this.ActionActionT;
        }

        Func<IAsyncResult, T> End { get; set; }
        Func<AsyncCallback, object, IAsyncResult> Begin { get; set; }
        Action<T> RunInCallback { get; set; }
        Action ActionOuter {get;set;}

        private void Callback(IAsyncResult ar)
        {
            this.RunInCallback(this.End(ar));
        }

        private void ActionActionT(Action<T> cont)
        {
            this.RunInCallback = cont;
            this.Begin(this.Callback, null);
        }

        private void ActionT(T res)
        {
            this.result = res;
            this.completed = true;
            this.ActionOuter();
        }

        public override void ExecuteStep(Action cont)
        {
            this.ActionOuter = cont;
            this.func(this.ActionT);
        }
    }

　　直观的就可以感觉到lambda帮助我们省略了多少代码，在简洁的同时，也增加了些许理解的难度。代码就是最好的注释，我实在没信心去用文字描述这个类如何工作。

　　最后补充Execute方法，这个方法真正的开始执行Async方法，大体思路就是遍历集合，但不是通过while循环，而是通过callback来执行下一个MoveNext。

        public static void Execute(this IEnumerable<IAsync> async)
        {
            AsyncExtensions.Run(async.GetEnumerator());
        }

        internal static void Run(IEnumerator<IAsync> en)
        {
            if (!en.MoveNext()) return;
            en.Current.ExecuteStep
                (() => AsyncExtensions.Run(en));
        }