详细解读ASP.NET的异步

2012 年 9 月 14 日5880

在前文中，介绍了.NET下的多种异步的形式，在WEB程序中，天生就是多线程的，因此使用异步应该更为谨慎。本文将着重展开ASP.NET中的异步。

【注意】本文中提到的异步指的是服务器端异步，而非客户端异步（Ajax）。

对于HTTP的请求响应模型，服务器无法主动通知或回调客户端，当客户端发起一个请求后，必须保持连接等待服务器的返回结果，才能继续处理，因此，对于客户端来说，请求与响应是无法异步进行，也就是说无论服务器如何处理请求，对于客户端来说没有任何差别。

那么ASP.NET异步指的又是什么，解决了什么问题呢？

在解释ASP.NET异步前，先来考察下ASP.NET线程模型。

ASP.NET线程模型

我们知道，一个WEB服务可以同时服务器多个用户，我们可以想象一下，WEB程序应该运行于多线程环境中，对于运行WEB程序的线程，我们可以称之为WEB线程，那么，先来看看WEB线程长什么样子吧。

我们可以用一个HttpHandler输出一些内容。

你可以看到类似于这样的结果：

Name:

ManagedThreadId:57

IsBackground:True

IsThreadPoolThread:True

这里可以看到，WEB线程是一个没有名称的线程池中的线程，如果刷新这个页面，还有机会看到 ManagedThreadId 在不断变化，并且可能重复出现。说明WEB程序有机会运行于线程池中的不同线程。

为了模拟多用户并发访问的情况，我们需要对这个处理程序添加人为的延时，并输出线程相关信息与开始结束时间，再通过客户端程序同时发起多个请求，查看返回的内容，分析请求的处理情况。

我们用一个命令行程序来发起请求，并显示结果。

这里，我们同时发起了50个请求，然后观察响应的情况。

【注意】后面的结果会因为操作系统、IIS版本、管道模式、.NET版本、配置项的不同而不同，以下结果为在Windows Server 2008 R2 + IIS7.5 + .NET 4.5 beta(.NET 4 runtime) + 默认配置中测试的结果，在没有特别说明的情况下，均为重启IIS后第一次运行的情况。
这个程序在我的电脑运行结果是这样的：

从这个结果大概可以看出，开始两个请求几乎同时开始处理，因为线程池最小线程数为2（可配置），紧接着后面的请求会每隔半秒钟开始一个，因为如果池中的线程都忙，会等待半秒（.NET版本不同而不同），如果还是没有线程释放则开启新的线程，直到达到最大线程数（可配置）。未能在线程池中处理的请求将被放入请求队列，当一个线程释放后，下一个请求紧接着开始在该线程处理。

最终50个请求共产生24个线程，总用时约35.9秒。

光看数据不够形象，用简单的代码把数据转换成图形吧，下面是100个请求的处理过程。

我们可以看到，当WEB线程长时间被占用时，请求会由于线程池而阻塞，同时产生大量的线程，最终响应时间变长。

作为对比，我们列出处理时间10毫秒的数据。

共产生线程3个，总用时0.236秒。

根据以上的数据，我们可以得出结论，要提高系统响应时间与并发处理数，应尽可能减少WEB线程的等待。

【略】请各位自行查验当一次并发全部处理完毕后再次测试的处理情况。

【略】请各位自行查验当处理程序中使用线程池处理等待任务的处理情况。

如何减少WEB线程的等待呢，那就应该尽早的结果ProcessRequest方法，前一篇中讲到，对于一些需要等待完成的任务，可以使用异步方法来做，于是我们可以在ProcessRequest中调用异步方法，但问题是当ProcessRequest结束后，请求处理也即将结束，一但请求结束，将没有办法在这一次请求中返回结果给客户端，但是此时，异步任务还没有完成，当异步任务完成时，也许再也没有办法将结果传给客户端了。（难道用轮询？囧）

我们需要的方案是，处理请求时可以暂停处理（不是暂停线程），并保持客户端连接，在需要时，向客户端输出结果，并结束请求。

在这个模型中，可以看到，对于WebServerRuntime来说，我们的请求处理程序就是一个异步方法，而对于客户端来说，却并不知道后面的处理情况。无论在WebServerRuntime或是我们的处理程序，都没有直接占用线程，一切由何时SetComplete决定。同时可以看到，这种模式需要WebServerRuntime的紧密配合，提供调用异步方法的接口。在ASP.NET中，这个接口就是IHttpAsyncHandler。

异步ASP.NET处理程序

首先，我们来实现第一个异步处理程序，在适当的时候触发结束，在开始和结束时输出一些信息。

在这里，我们实现了一个简单的AsyncResult，由于ASP.NET通过回调方法获取异步完成，不会等待异步，所以不需要WaitHandle。在开始请求时，建立一个AsyncResult后直接返回，当异步完成时，调用AsyncResult的SetComplete方法，调用回调方法，再由 ASP.NET调用异步结束。此时整个请求即完成。

当我们访问这个地址，可以得到类似于下面的结果：

App:11240144 Begin:37:24,2676 ThreadId:6 End:37:29,2619 ThreadId:6

可以看到开始和结束在同一个线程中运行。

当有多个并发请求时，线程池将忙碌起来，开始与结束处理也奖有机会运行于不同的线程上。50个请求并发时的处理数据：

可以看到，从始至终只由3个线程处理所有的请求，总共时间约5.12秒。

为简化分析，我们用下面的图来示意异步处理程序的并发处理过程。

这样，我们就可以通过异步的方式，将WEB线程撤底释放出来。由WEB线程进行请求的接收与结束处理，耗时的操作与等待都进行异步处理。这样少量的WEB线程就可以承受大量的并发请求，WEB线程将不再成为系统的瓶颈。

在大并发的异步模式下，和前面的数据相比较，可以看到HttpApplication的对象数量随并发处理数提高而提高，随之带来的一系列数据结构，如 HttpHandler缓存，是需要考虑的内存开销。同时，在异步模式下，请求的完成需要编程的方式来控制，在触发完成前，客户端连接、 HttpContext对象都保持活动状态，客户端也一直保持等待，直到超时。因此，异步模式下需要更细致的资源操作。

我们来看ASP.NET异步的典型应用场景。

场景一：处理过程中有需要等待的任务，并且可以使用异步完成的。

这个处理程序读取服务器的文件并输出到客户端。

这是一个简单的代理，服务器获取WEB资源后写回。

在这类程序中，我们提供的异步处理程序调用了IOCP异步方法，使得大量节省了WEB线程的占用，相比同步处理程序来说，并发量会得到相当大的提升。

【注意】前面提到，由于WEB线程属于线程池线程，因此，如果在线程池中加入任务，将同样会影响并发处理数。而在异步处理程序中，由线程池来完成异步将得不到任何本质上的提升，因此在异步处理程序中禁止操作线程池（ThreadPool.QueueUserWorkItem、 delegate.BeginInvoke，Task.Run等）。如果确定需要使用多线程来处理大量的计算，需要自己开启线程或实现自己的线程池。

上面的代码将无法达到异步的效果。

虽然等待工作交由另一线程去操作，但是该线程与WEB线程性质相同，同样会导致其他请求阻塞。

【思考】如果我们的程序中的确需要有大量的计算，那么可以考虑将这些计算提取到独立的应用服务器中，然后通过网络IOCP异步调用，达到WEB服务器的高吞吐量与系统的平行扩展性。

典型应用场景二：长连接消息推送。

一般来说，在WEB中获取服务器消息，采用轮询的方式，这种方式不可避免会有延时，当我们需要即时消息的推送时（如WEBIM），需要用到长连接。

长连接方式，由客户端发起请求，服务器端接收后暂停处理并保持连接，当需要发送消息给客户端时，输出内容并结束处理，客户端得到消息或者超时后，再次发起连接。如此达到在HTTP协议上服务器消息即时推送到客户端的目的。

在这种情况下，我们希望服务器尽可能长时间保持连接，如果采用同步处理程序，则连接数受到服务器线程数的限制，而异步处理程序则可以很好的解决这个问题。异步处理程序开始时，收集相关信息，并放入集合后返回异步结果。当需要向这个客户端发送消息时，从客户端集合中找到需要发送的目标，发送完成即可。

首先，我们需要对客户端进行标识，这个标识往往采用sessionid来做，本例中简单起见，通过客户端传递参数获取。

我们需要一个集合来保存连接中的客户端，提供一个向这些客户端发送消息的方法。

对于异步处理程序的开始方法，我们收集信息并放入集合。

【不完善】由于客户端收到一次消息后结束请求，由客户端再次发起请求，中间会有部分时间间隙，在这间隙中向该客户端发送的消息将丢失，解决方案是维护另一个用户是否在线的表，如果用户不在线，则处理离线消息，如果在线，并且正在连接中，则按上述处理，如果不在连接中，则缓存在服务器，当客户端再次连接时，首先检查缓存的消息，如果有未接消息，则获取消息并立即返回。

发送消息的处理程序。

可以在任何需要的位置向客户端发送消息。

【不完善】我们需要定时刷新客户端集合，对于长时间未处理的客户端进行超时结束处理。

通过异步处理程序构建的长连接消息推送机制，单台服务器可以轻松支持上万个并发连接。

异步Action

在ASP.NET MVC 4中，添加了对异步Action的支持。

在ASP.NET MVC4中，整个处理过程都是异步的。

在图中可以看到，最右边的ActionDescriptor将决定如何调用我们的Action方法，而如何调用是由具体的Action方法形式决定，ASP.NET MVC会根据不同的方法形式创建不同的ActionDescriptor实例，从而调用不同的处理过程。对于传统的方法，则使用 ReflectedActionDescriptor，他实现Execute方法，调用我们的Action，并在 AsyncControllerActionInvoker包装成同步调用。而异步调用在ASP.NET MVC 4 中有两种模式。

异步Action模式一：AsyncController/XXXAsync/XXXCompleted

我们可以使一个Controller继承自AsyncController，按照约定同时提供两个方法，分别命名为 XXXAsync/XXXCompleted，ASP.NET MVC则会将他们包装成ReflectedAsyncActionDescriptor。

由于没有IAsyncResult，我们需要通过AsyncManager来告诉ASP.NET MVC何时完成异步，我们可以在方法内部在启用异步时调用 AsyncManager.OutstandingOperations.Increment()告诉ASP.NET MVC开始了一次异步，完成异步时调用AsyncManager.OutstandingOperations.Decrement()告诉 ASP.NET MVC完成了一次异步，当所有异步完成，AsyncManager会自动触发异步完成事件，调用回调方法，最终调用我们的XXXComplete方法。我们也可以用AsyncManager.Finish()也触发所有异步完成。当不使用任何AsyncManager时，则不启用异步。