AsyncLocal 用法简介

通过 AsyncLocal 我们可以在一个逻辑上下中维护一份数据,并且在后续代码中都可以访问和修改这份数据。

无论是在新创建的 Task 中还是 await 关键词之后,我们都能够访问前面设置的 AsyncLocal 的数据。

class Program
{
private static AsyncLocal<string> _asyncLocal = new AsyncLocal<string>(); static async Task Main(string[] args)
{
_asyncLocal.Value = "Hello World!";
Task.Run(() => Console.WriteLine($"AsyncLocal in task: {_asyncLocal.Value}")); await FooAsync();
Console.WriteLine($"AsyncLocal after await FooAsync: {_asyncLocal.Value}");
} private static async Task FooAsync()
{
await Task.Delay(100);
Console.WriteLine($"AsyncLocal after await in FooAsync: {_asyncLocal.Value}");
}
}

输出结果:

AsyncLocal in task: Hello World!
AsyncLocal after await in FooAsync: Hello World!
AsyncLocal after await FooAsync: Hello World!

AsyncLocal 实现原理

在我之前的博客 揭秘 .NET 中的 AsyncLocal 中深入介绍了 AsyncLocal 的实现原理,这里只做简单的回顾。

AsyncLocal 的实际数据存储在 ExecutionContext 中,而 ExecutionContext 作为线程的私有字段与线程绑定,在线程会发生切换的地方,runtime 会将切换前的 ExecutionContext 保存起来,切换后再恢复到新线程上。

这个保存和恢复的过程是由 runtime 自动完成的,例如会发生在以下几个地方:

  • new Thread(ThreadStart start).Start()
  • Task.Run(Action action)
  • ThreadPool.QueueUserWorkItem(WaitCallback callBack)
  • await 之后

以 await 为例,当我们在一个方法中使用了 await 关键词,编译器会将这个方法编译成一个状态机,这个状态机会在 await 之前和之后分别保存和恢复 ExecutionContext。

class Program
{
private static AsyncLocal<string> _asyncLocal = new AsyncLocal<string>(); static async Task Main(string[] args)
{
_asyncLocal.Value = "Hello World!";
await FooAsync();
Console.WriteLine($"AsyncLocal after await FooAsync: {_asyncLocal.Value}");
} private static async Task FooAsync()
{
await Task.Delay(100);
}
}

输出结果:

AsyncLocal after await FooAsync: Hello World!

AsyncLocal 的坑

有时候我们会在 FooAsync 方法中去修改 AsyncLocal 的值,并希望在 Main 方法在 await FooAsync 之后能够获取到修改后的值,但是实际上这是不可能的。

class Program
{
private static AsyncLocal<string> _asyncLocal = new AsyncLocal<string>(); static async Task Main(string[] args)
{
_asyncLocal.Value = "A";
Console.WriteLine($"AsyncLocal before FooAsync: {_asyncLocal.Value}");
await FooAsync();
Console.WriteLine($"AsyncLocal after await FooAsync: {_asyncLocal.Value}");
} private static async Task FooAsync()
{
_asyncLocal.Value = "B";
Console.WriteLine($"AsyncLocal before await in FooAsync: {_asyncLocal.Value}");
await Task.Delay(100);
Console.WriteLine($"AsyncLocal after await in FooAsync: {_asyncLocal.Value}");
}
}

输出结果:

AsyncLocal before FooAsync: A
AsyncLocal before await in FooAsync: B
AsyncLocal after await in FooAsync: B
AsyncLocal after await FooAsync: A

为什么我们在 FooAsync 方法中修改了 AsyncLocal 的值,但是在 await FooAsync 之后,AsyncLocal 的值却没有被修改呢?

原因是 ExecutionContext 被设计成了一个不可变的对象,当我们在 FooAsync 方法中修改了 AsyncLocal 的值,实际上是创建了一个新的 ExecutionContext,原来的 AsyncLocal 的值被值拷贝到了新的 ExecutionContext 中,而原来的 ExecutionContext 仍然保持不变。

这样的设计是为了保证线程的安全性,因为在多线程环境下,如果 ExecutionContext 是可变的,那么在切换线程的时候,可能会出现数据不一致的情况。

我们通常把这种设计称为 Copy On Write(简称COW),即在修改数据的时候,会先拷贝一份数据,然后在拷贝的数据上进行修改,这样就不会影响到原来的数据。

ExecutionContext 中可能不止一个 AsyncLocal 的数据,修改任意一个 AsyncLocal 都会导致 ExecutionContext 的 COW。

所以上面代码的执行过程如下:

AsyncLocal 的避坑指南

那么我们如何在 FooAsync 方法中修改 AsyncLocal 的值,并且在 Main 方法中获取到修改后的值呢?

我们需要借助一个中介者,让中介者来保存 AsyncLocal 的值,然后在 FooAsync 方法中修改中介者的属性值,这样就可以在 Main 方法中获取到修改后的值了。

下面我们设计一个 ValueHolder 来保存 AsyncLocal 的值,修改 Value 并不会修改 AsyncLocal 的值,而是修改 ValueHolder 的属性值,这样就不会触发 ExecutionContext 的 COW。

我们还需要设计一个 ValueAccessor 来封装 ValueHolder 对值的访问和修改,这样可以保证 ValueHolder 的值只能在 ValueAccessor 中被修改。

class ValueAccessor<T> : IValueAccessor<T>
{
private static AsyncLocal<ValueHolder<T>> _asyncLocal = new AsyncLocal<ValueHolder<T>>(); public T Value
{
get => _asyncLocal.Value != null ? _asyncLocal.Value.Value : default;
set
{
_asyncLocal.Value ??= new ValueHolder<T>(); _asyncLocal.Value.Value = value;
}
}
} class ValueHolder<T>
{
public T Value { get; set; }
} class Program
{
private static IValueAccessor<string> _valueAccessor = new ValueAccessor<string>(); static async Task Main(string[] args)
{
_valueAccessor.Value = "A";
Console.WriteLine($"ValueAccessor before await FooAsync in Main: {_valueAccessor.Value}");
await FooAsync();
Console.WriteLine($"ValueAccessor after await FooAsync in Main: {_valueAccessor.Value}");
} private static async Task FooAsync()
{
_valueAccessor.Value = "B";
Console.WriteLine($"ValueAccessor before await in FooAsync: {_valueAccessor.Value}");
await Task.Delay(100);
Console.WriteLine($"ValueAccessor after await in FooAsync: {_valueAccessor.Value}");
}
}

输出结果:

ValueAccessor before await FooAsync in Main: A
ValueAccessor before await in FooAsync: B
ValueAccessor after await in FooAsync: B
ValueAccessor after await FooAsync in Main: B

HttpContextAccessor 的实现原理

我们常用的 HttpContextAccessor 通过HttpContextHolder 来间接地在 AsyncLocal 中存储 HttpContext。

如果要更新 HttpContext,只需要在 HttpContextHolder 中更新即可。因为 AsyncLocal 的值不会被修改,更新 HttpContext 时 ExecutionContext 也不会出现 COW 的情况。

不过 HttpContextAccessor 中的逻辑有点特殊,它的 HttpContextHolder 是为保证清除 HttpContext 时,这个 HttpContext 能在所有引用它的 ExecutionContext 中被清除(可能因为修改 HttpContextHolder 之外的 AsyncLocal 数据导致 ExecutionContext 已经 COW 很多次了)。

下面是 HttpContextAccessor 的实现,英文注释是原文,中文注释是我自己的理解。

/// </summary>
public class HttpContextAccessor : IHttpContextAccessor
{
private static readonly AsyncLocal<HttpContextHolder> _httpContextCurrent = new AsyncLocal<HttpContextHolder>(); /// <inheritdoc/>
public HttpContext? HttpContext
{
get
{
return _httpContextCurrent.Value?.Context;
}
set
{
var holder = _httpContextCurrent.Value;
if (holder != null)
{
// Clear current HttpContext trapped in the AsyncLocals, as its done.
// 这边的逻辑是为了保证清除 HttpContext 时,这个 HttpContext 能在所有引用它的 ExecutionContext 中被清除
holder.Context = null;
} if (value != null)
{
// Use an object indirection to hold the HttpContext in the AsyncLocal,
// so it can be cleared in all ExecutionContexts when its cleared.
// 这边直接修改了 AsyncLocal 的值,所以会导致 ExecutionContext 的 COW。新的 HttpContext 不会被传递到原先的 ExecutionContext 中。
_httpContextCurrent.Value = new HttpContextHolder { Context = value };
}
}
} private sealed class HttpContextHolder
{
public HttpContext? Context;
}
}

但 HttpContextAccessor 的实现并不允许将新赋值的非 null 的 HttpContext 传递到外层的 ExecutionContext 中,可以参考上面的源码及注释理解。

class Program
{
private static IHttpContextAccessor _httpContextAccessor = new HttpContextAccessor(); static async Task Main(string[] args)
{
var httpContext = new DefaultHttpContext
{
Items = new Dictionary<object, object>
{
{ "Name", "A"}
}
};
_httpContextAccessor.HttpContext = httpContext;
Console.WriteLine($"HttpContext before await FooAsync in Main: {_httpContextAccessor.HttpContext.Items["Name"]}");
await FooAsync();
// HttpContext 被清空了,下面这行输出 null
Console.WriteLine($"HttpContext after await FooAsync in Main: {_httpContextAccessor.HttpContext?.Items["Name"]}");
} private static async Task FooAsync()
{
_httpContextAccessor.HttpContext = new DefaultHttpContext
{
Items = new Dictionary<object, object>
{
{ "Name", "B"}
}
};
Console.WriteLine($"HttpContext before await in FooAsync: {_httpContextAccessor.HttpContext.Items["Name"]}");
await Task.Delay(1000);
Console.WriteLine($"HttpContext after await in FooAsync: {_httpContextAccessor.HttpContext.Items["Name"]}");
}
}

输出结果:

HttpContext before await FooAsync in Main: A
HttpContext before await in FooAsync: B
HttpContext after await in FooAsync: B
HttpContext after await FooAsync in Main:

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