如何使用 C# 中的 ValueTask
在 C# 中利用
ValueTask 避免从异步方法返回
Task 对象时分配
翻译自 Joydip Kanjilal 2020年7月6日 的文章 《How to use ValueTask in C#》
异步编程已经使用了相当长一段时间了。近年来，随着
async 和
await 关键字的引入，它变得更加强大。您可以利用异步编程来提高应用程序的响应能力和吞吐量。
C# 中异步方法的推荐返回类型是
Task。如果您想编写一个有返回值的异步方法，那么应该返回
Task<T>; 如果想编写事件处理程序，则可以返回
void。在 C# 7.0 之前，异步方法可以返回
Task、
Task<T> 或
void。从 C# 7.0 开始，异步方法还可以返回
ValueTask（作为
System.Threading.Tasks.Extensions 包的一部分可用）或
ValueTask<T>。本文就讨论一下如何在 C# 中使用
ValueTask。
要使用本文提供的代码示例，您的系统中需要安装 Visual Studio 2019。如果还没有安装，您可以
在这里下载 Visual Studio 2019。
在 Visual Studio 中创建一个 .NET Core 控制台应用程序项目
首先，让我们在 Visual Studio 中创建一个 .NET Core 控制台应用程序项目。假设您的系统中安装了 Visual Studio 2019，请按照下面描述的步骤在 Visual Studio 中创建一个新的 .NET Core 控制台应用程序项目。
- 启动 Visual Studio IDE。
- 点击 “创建新项目”。
- 在 “创建新项目” 窗口中，从显示的模板列表中选择 “控制台应用(.NET Core)”。
- 点击 “下一步”。
- 在接下来显示的 “配置新项目” 窗口，指定新项目的名称和位置。
- 点击 “创建”。
这将在 Visual Studio 2019 中创建一个新的 .NET Core 控制台应用程序项目。我们将在本文后面的部分中使用这个项目来说明
ValueTask 的用法。为什么要使用 ValueTask ？
Task 表示某个操作的状态，即此操作是否完成、取消等。异步方法可以返回
Task 或者
ValueTask。
现在，由于
Task 是一个引用类型，从异步方法返回一个
Task 对象意味着每次调用该方法时都会在托管堆（
managed heap）上分配该对象。因此，在使用
Task 时需要注意的一点是，每次从方法返回
Task 对象时都需要在托管堆中分配内存。如果你的方法执行的操作的结果立即可用或同步完成，则不需要这种分配，因此代价很高。
这正是
ValueTask 要出手相助的目的，
ValueTask<T> 提供了两个主要好处。首先，
ValueTask<T> 提高了性能，因为它不需要在堆（
heap）中分配; 其次，它的实现既简单又灵活。当结果立即可用时，通过从异步方法返回
ValueTask<T> 代替
Task<T>，你可以避免不必要的分配开销，因为这里的 “T” 表示一个结构，而 C# 中的结构体（
struct）是一个值类型（与
Task<T> 中表示类的 “T” 不同）。
C# 中
Task 和
ValueTask 表示两种主要的 “可等待（awaitable）” 类型。请注意，您不能阻塞（block）一个
ValueTask。如果需要阻塞，则应使用
AsTask 方法将
ValueTask 转换为
Task，然后在该引用
Task 对象上进行阻塞。
另外请注意，每个
ValueTask 只能被消费（consumed）一次。这里的单词 “消费（consume）” 是指
ValueTask 可以异步等待（
await）操作完成，或者利用
AsTask 将
ValueTask 转换为
Task。但是，
ValueTask 只应被消费（consumed）一次，之后
ValueTask<T> 应被忽略。C# 中的 ValueTask 示例
假设有一个异步方法返回一个
Task。你可以利用
Task.FromResult 创建
Task 对象，如下面给出的代码片段所示。public Task<int> GetCustomerIdAsync() { return Task.FromResult(1); }
上面的代码片段并没有创建整个异步状态机制，但它在托管堆（
managed heap）中分配了一个
Task 对象。为了避免这种分配，您可能希望利用
ValueTask 代替，像下面给出的代码片段所示的那样。public ValueTask<int> GetCustomerIdAsync() { return new ValueTask<int>(1); }
下面的代码片段演示了
ValueTask 的同步实现。public interface IRepository<T> { ValueTask<T> GetData(); }
Repository 类扩展了
IRepository 接口，并实现了如下所示的方法。public class Repository<T> : IRepository<T> { public ValueTask<T> GetData() { var value = default(T); return new ValueTask<T>(value); } }
下面是如何从
Main 方法调用
GetData 方法。static void Main(string[] args) { IRepository<int> repository = new Repository<int>(); var result = repository.GetData(); if (result.IsCompleted) Console.WriteLine("Operation complete..."); else Console.WriteLine("Operation incomplete..."); Console.ReadKey(); }
现在让我们将另一个方法添加到我们的存储库（repository）中，这次是一个名为
GetDataAsync 的异步方法。以下是修改后的
IRepository 接口的样子。public interface IRepository<T> { ValueTask<T> GetData(); ValueTask<T> GetDataAsync(); }
GetDataAsync 方法由
Repository 类实现，如下面给出的代码片段所示。public class Repository<T> : IRepository<T> { public ValueTask<T> GetData() { var value = default(T); return new ValueTask<T>(value); } public async ValueTask<T> GetDataAsync() { var value = default(T); await Task.Delay(100); return value; } }
C# 中应该在什么时候使用 ValueTask ?
尽管
ValueTask 提供了一些好处，但是使用
ValueTask 代替
Task 有一定的权衡。
ValueTask 是具有两个字段的值类型，而
Task 是具有单个字段的引用类型。因此，使用
ValueTask 意味着要处理更多的数据，因为方法调用将返回两个数据字段而不是一个。另外，如果您等待(
await)一个返回
ValueTask 的方法，那么该异步方法的状态机也会更大，因为它必须容纳一个包含两个字段的结构体而不是在使用
Task 时的单个引用。
此外，如果异步方法的使用者使用
Task.WhenAll 或者
Task.WhenAny，在异步方法中使用
ValueTask<T> 作为返回类型可能会代价很高。这是因为您需要使用
AsTask 方法将
ValueTask<T> 转换为
Task<T>，这会引发一个分配，而如果使用起初缓存的
Task<T>，则可以轻松避免这种分配。
经验法则是这样的：当您有一段代码总是异步的时，即当操作（总是）不能立即完成时，请使用
Task。当异步操作的结果已经可用时，或者当您已经缓存了结果时，请利用
ValueTask。不管怎样，在考虑使用
ValueTask 之前，您都应该执行必要的性能分析。
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