面试题：C# async/await与Task生命周期及异常处理

Question

深入探讨C# async/await与Task生命周期之间的关系，特别是在异步操作链中（多个await连续使用）Task的状态变化。同时，说明在这种复杂异步场景下，异常是如何传播和处理的，以及如何编写健壮的异常处理代码来应对各种可能的异常情况。

Answer 1

C# async/await与Task生命周期的关系

1. 基本概念
   • async关键字用于定义一个异步方法，该方法返回一个Task或Task<T>。当方法被调用时，方法内的代码并不会立即执行完，而是在遇到第一个await时暂停。
   • await关键字用于暂停异步方法的执行，直到其等待的Task完成。当await一个Task时，await表达式的结果是该Task的最终状态（成功完成时的结果，或异常状态时抛出的异常）。
2. Task生命周期
   • Created：当使用new Task()创建一个Task对象，但尚未调用Start()方法时，Task处于此状态。不过，在async方法中使用await时，通常不会直接创建处于Created状态的Task，而是通过方法调用（如Task.Run、HttpClient.SendAsync等）返回已经处于WaitingForActivation状态或更高级状态的Task。
   • WaitingForActivation：Task已创建并准备好运行，但尚未开始执行。例如，Task.Run返回的Task在被调度执行前处于此状态。
   • Running：Task正在执行。
   • WaitingForChildrenToComplete：当一个Task启动了其他子Task，并且调用了Task.WaitAll或等待子Task完成时，该Task可能会进入此状态。
   • RanToCompletion：Task成功完成，并且没有抛出异常。在async方法中，如果await的Task处于此状态，await表达式将返回Task的结果（如果是Task<T>），或者继续执行后续代码（如果是Task）。
   • Faulted：Task执行过程中抛出了未处理的异常。在async方法中，await一个处于Faulted状态的Task时，异常会被重新抛出。
   • Canceled：Task被取消，通常是通过CancellationToken来实现。await一个处于Canceled状态的Task时，会抛出OperationCanceledException。

异步操作链中Task的状态变化

1. 连续await
   • 当在async方法中有多个连续的await时，每个await都会等待前一个Task完成。例如：

   async Task MethodAsync()
   {
       var task1 = Task.Run(() => { /* 一些操作 */ return 1; });
       var result1 = await task1;
       var task2 = Task.Run(() => { /* 基于result1的操作 */ return result1 + 1; });
       var result2 = await task2;
   }
   

   • 在这个例子中，task1首先被创建并开始执行。当执行到await task1时，MethodAsync方法暂停，等待task1完成。如果task1成功完成（进入RanToCompletion状态），result1会被赋值，然后task2被创建并开始执行。接着执行到await task2，MethodAsync再次暂停，等待task2完成。如果task2也成功完成，方法继续执行后续代码。
   • 如果task1在执行过程中抛出异常（进入Faulted状态），await task1会立即将异常重新抛出，task2将不会被执行。同样，如果task2抛出异常，异常也会被await task2重新抛出。

异常传播和处理

1. 异常传播
   • 在async方法中，当await一个Task时，如果该Task处于Faulted状态（即执行过程中抛出了未处理的异常），await会重新抛出该异常。这个异常会沿着调用栈向上传播，直到被捕获。例如：

   async Task MethodAsync()
   {
       var task = Task.Run(() => { throw new Exception("模拟异常"); });
       await task;
   }
   async Task OuterMethodAsync()
   {
       await MethodAsync();
   }
   

   • 在这个例子中，MethodAsync中的await task会重新抛出Task中的异常。这个异常会传播到OuterMethodAsync中的await MethodAsync()，如果OuterMethodAsync没有捕获该异常，它会继续向上传播，直到被捕获或导致应用程序崩溃。
2. 异常处理
   • 使用try - catch：在async方法中，可以使用传统的try - catch块来捕获异常。例如：

   async Task MethodAsync()
   {
       try
       {
           var task = Task.Run(() => { throw new Exception("模拟异常"); });
           await task;
       }
       catch (Exception ex)
       {
           // 处理异常
           Console.WriteLine($"捕获到异常: {ex.Message}");
       }
   }
   

   • 全局异常处理：在ASP.NET Core应用程序中，可以使用全局异常处理中间件来捕获未处理的异常。例如：

   public void Configure(IApplicationBuilder app, IWebHostEnvironment env)
   {
       app.UseExceptionHandler("/Error");
       // 其他配置
   }
   

   • 使用ConfigureAwait(false)：在某些情况下，为了避免上下文切换带来的潜在问题，可以在await时使用ConfigureAwait(false)。例如：

   async Task MethodAsync()
   {
       var task = Task.Run(() => { /* 操作 */ });
       await task.ConfigureAwait(false);
   }
   

   • 不过，在处理异常时要注意，ConfigureAwait(false)并不会改变异常传播和处理的基本规则，但它可能会影响异常发生时的上下文环境。例如，如果在async方法中使用了与特定上下文（如UI线程）相关的资源，使用ConfigureAwait(false)后异常处理代码可能无法访问这些上下文相关的资源。

编写健壮的异常处理代码

1. 明确异常类型：尽量捕获具体的异常类型，而不是通用的Exception类型，这样可以更准确地处理不同类型的异常。例如，如果是网络请求可能抛出HttpRequestException，可以专门捕获该异常：

   async Task MethodAsync()
   {
       try
       {
           var client = new HttpClient();
           var response = await client.GetAsync("http://example.com");
           response.EnsureSuccessStatusCode();
       }
       catch (HttpRequestException ex)
       {
           // 处理网络相关异常
           Console.WriteLine($"网络请求异常: {ex.Message}");
       }
   }
   

2. 记录异常：在捕获异常时，记录详细的异常信息，包括异常类型、消息、堆栈跟踪等，以便于调试和分析问题。可以使用日志框架（如Serilog、NLog等）来记录异常。例如：

   async Task MethodAsync()
   {
       try
       {
           var task = Task.Run(() => { throw new Exception("模拟异常"); });
           await task;
       }
       catch (Exception ex)
       {
           // 使用日志记录异常
           Log.Error($"捕获到异常: {ex.Message}\n{ex.StackTrace}");
       }
   }
   

3. 重试机制：对于一些可能由于临时故障（如网络抖动）导致的异常，可以实现重试机制。例如，使用Polly库来实现重试：

   using Polly;
   async Task MethodAsync()
   {
       var policy = Policy.Handle<HttpRequestException>()
          .WaitAndRetryAsync(3, retryAttempt => TimeSpan.FromSeconds(Math.Pow(2, retryAttempt)));
       await policy.ExecuteAsync(async () =>
       {
           var client = new HttpClient();
           var response = await client.GetAsync("http://example.com");
           response.EnsureSuccessStatusCode();
       });
   }
   

4. 清理资源：在异常处理代码中，确保正确清理已使用的资源。例如，如果在async方法中打开了文件或数据库连接，要在异常处理时关闭这些资源，通常可以使用using语句来自动管理资源的释放。例如：

   async Task MethodAsync()
   {
       try
       {
           using (var stream = new FileStream("example.txt", FileMode.Open))
           {
               // 读取文件操作
               await stream.ReadAsync(new byte[1024], 0, 1024);
           }
       }
       catch (IOException ex)
       {
           // 处理文件操作异常
           Console.WriteLine($"文件操作异常: {ex.Message}");
       }
   }