[C#] 비동기 async / await 키워드

C# 5.0부터 새로운 C# 키워드로 async와 await가 추가되었다. 이 키워드들은 기존의 비동기 프로그래밍 (asynchronous programming)을 보다 손쉽게 지원하기 위해 C# 5.0에 추가된 중요한 기능이다.

C# async는 컴파일러에게 해당 메서드가 await를 가지고 있음을 알려주는 역활을 한다. async라고 표시된 메서드는 await를 1개 이상 가질 수 있는데, 하나도 없는 경우라도 컴파일은 가능하지만 Warning 메시지가 표시된다. async를 표시한다고 해서 자동으로 비동기 방식으로 프로그램을 수행하는 것은 아니고, 일종의 보조 역활을 하는 컴파일러 지시어로 볼 수 있다. async 메서드의 리턴 타입은 대부분의 경우 Task<TResult> (리턴값이 있는 경우) 혹은 Task (리턴값이 없는 경우) 인데, 예를 들어 리턴값이 string일 경우 async Task<string> method() 와 같이 정의하고 return "문자열"과 같이 문자열만 리턴한다. C# 컴파일러는 return 문의 문자열을 자동으로 Task<string>로 변환해 준다. 또 다른 async 메서드의 리턴 타입으로 void 타입이 있는데, 특히 이벤트핸들러를 위해 void 리턴을 허용하고 있다.

실제 핵심 키워드는 await인데, 이 await는 일반적으로 Task 혹은 Task<T> 객체와 함께 사용된다. Task 이외의 클래스도 사용 가능한데, awaitable 클래스, 즉 GetAwaiter() 라는 메서드를 갖는 클래스이면 함께 사용 가능하다.

UI 프로그램에서 await는 Task와 같은 awaitable 클래스의 객체가 완료되기를 기다리는데, 여기서 중요한 점은 UI 쓰레드가 정지되지 않고 메시지 루프를 계속 돌 수 있도록 필요한 코드를 컴파일러가 await 키워드를 만나면 자동으로 추가한다는 점이다. 메시지 루프가 계속 돌게 만든다는 것은 마우스 클릭이나 키보드 입력 등과 같은 윈도우 메시지들을 계속 처리할 수 있다는 것을 의미한다. await는 해당 Task가 끝날 때까지 기다렸다가 완료 후, await 바로 다음 실행문부터 실행을 계속한다. await가 기다리는 Task 혹은 실행 메서드는 별도의 Worker Thread에서 돌 수도 있고, 또는 UI Thread에서 돌 수도 있다.

 

아래 예제는 버튼 클릭으로 Run()이라는 async 메서드를 실행하고, Run 메서드 안에서 비동기 Task를 만들어 실행하고 결과를 기다리는 await 문의 예를 보여주고 있다. await는 LongCalcAsync() 라는 메서드가 끝나기를 기다렸다가 끝나면 결과를 sum에 할당한 후 다음 문장들을 계속 실행한다. 특히 여기서 주목할 만한 것은 결과값을 Label 컨트롤에 뿌려줄 때, Invoke()나 BeginInvoke()를 쓸 필요가 없다는 점이다. Background Thread에서 비동기 Task가 끝난 후, await가 다시 Caller가 갖고 있던 쓰레드 즉 UI Thread로 다음 문장들을 실행하게 하기 때문이다.

 

using System.Threading;

// 예제1
private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
     Run();  //UI Thread에서 실행
}

private async void Run()
{
    // 비동기로 Worker Thread에서 도는 task1
    // Task.Run(): .NET Framework 4.5+
    var task1 = Task.Run(() => LongCalcAsync(10));

    // task1이 끝나길 기다렸다가 끝나면 결과치를 sum에 할당
    int sum = await task1;

    // UI Thread 에서 실행
    // Control.Invoke 혹은 Control.BeginInvok 필요없음
    this.label1.Text = "Sum = " + sum;
    this.button1.Enabled = true;
}

private int LongCalcAsync(int times)
{
    int result = 0;
    for (int i = 0; i < times; i++)
    {
        result += i;
        Thread.Sleep(1000); 
    }
    return result;
}

.NET 4.5 Async 혹은 TaskAsync 메서드들

C# 5.0과 함께 선보인 .NET 4.5는 기존의 동기화(Synchronous) 메서드들과 구분하여 C#의 await (혹은 VB의 Await)를 지원하기 위해 많은 Async 메서드들을 추가하였다. 이 새 메서드들은 기본적으로 기존의 Synchronous 메서드명 뒤에 Async를 붙여 명명되었는데, 만약 기존에 Async로 끝나는 메서드가 이미 있었던 경우에는 TaskAsync를 메서드명에 붙여 명명하였다.

System.IO.Stream.Read() : 기존 동기 메서드
System.IO.Stream.ReadAsync() : 4.5 Async 메서드

WebClient.DownloadStringAsync() : 기존 비동기 메서드
WebClient.DownloadStringTaskAsync() : 4.5 TaskAsync 메서드

 

await : UI 쓰레드에서 도는 Task

[Advanced Topic] await가 기다리는 Task는 대부분의 경우 Background Worker Thread에서 실행된다. 하지만 await를 썼다고 해서 자동으로 그 Task(혹은 메서드)가 Worker Thread에서 도는 것은 아니다. 아래 예제는 await를 사용했지만, 해당 Task(LongCalc2)는 (별도로 Worker Thread를 생성하지 않고) UI 쓰레드에서 실행된다. 만약 Worker Thread를 생성하려면, Task.Run() 등과 메서드를 사용하여 비동기 작업을 지정할 수 있다.

// 예제3
private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
     Run();  //UI Thread에서 실행
}

private async void Run()
{    
    int sum = await LongCalc2(10);
    this.label1.Text = "Sum = " + sum;
    this.button1.Enabled = true;
}

private async Task<int> LongCalc2(int times)
{
    //UI Thread에서 실행
    Debug.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    int result = 0;
    for (int i = 0; i < times; i++)
    {
        result += i;                
        await Task.Delay(1000);
    }
    return result;
}

await : Task.ContinueWith()

[Advanced Topic] 앞에서 이야기 하였듯이 await는 해당 Task가 끝난 후 await 문장이 있었던 곳으로부터 계속 다음 문장들을 실행하도록 되어있다. 이러한 기능은 .NET 4.0에서 소개 되었던 Task클래스의 ContinueWith()를 써서 아래와 같이 구현될 수 있다. 물론 C# 5.0 컴파일러가 await를 이렇게 변경한다는 것은 아니지만, 개념적으로 동일한 방식이라 볼 수 있다.

아래 예제에서 ContinueWith() 메서드는 첫번째 파라미터에서 task1 이 끝난 후 실행될 명령들을 람다식으로 지정하고 있다. 그리고 두번째 파라미터에는 실행블럭이 현재 쓰레드 (예제의 경우 UI Thread)에서 실행하도록 TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext()를 지정하고 있다. 즉, 개념적으로 await는 특정 Task가 실행된 후 이러 이러한 실행블럭을 현재 실행 (쓰레드) 컨텍스트에서 실행하도록 하는 것이다.

// 예제4
private void Run2()
{    
    var task1 = Task<int>.Run(() => LongCalc2(10));
    
    // await task1과 동일한 효과
    //
    task1.ContinueWith(x => {
      this.label1.Text = "Sum = " + task1.Result;
      this.button1.Enabled = true;      
    }, TaskScheduler.FromCurrentSynchronizationContext());
}

콘솔프로그램에서의 await

[Advanced Topic] 윈폼이나 WPF 같은 UI 프로그램은 await가 실행되기 전에 당시 실행되고 있는 쓰레드를 캡쳐해서 SynchronizationContext 에 가지고 있으며, await가 끝난 후에 이 컨텍스트로부터 원래 쓰레드 맥락에서 다음 문장들을 실행하게 한다. 하지만, 콘솔 프로그램이나 윈도우즈 서비스 프로그램의 경우에는 SynchronizationContext가 디폴트로 null 이 되어, await 이후의 문장들을 실행할 때 Thread Pool에서 작업 쓰레드를 가져와 실행하게 된다. 아래 예제는 awiat 실행 이전에 SynchronizationContext.Current 가 null 임을 체크하고 있으며, 또한 await 이후에 쓰레드가 작업 쓰레드임을 ManagedThreadId 속성을 통해 확인해 보는 것이다.

// 예제5
//using System;
//using System.Threading;
//using System.Threading.Tasks;

static void Main(string[] args)
{            
    Console.WriteLine("Main:" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    Run();
    Console.ReadLine();
}

private async void Run()
{
    // 비동기로 Worker Thread에서 도는 task1
    var task1 = Task.Run(() => LongCalcAsync(10));

    // 콘솔프로그램인 경우 SynchronizationContext가 null
    Console.WriteLine(SynchronizationContext.Current);

    // task1이 끝나길 기다렸다가 끝나면 결과치를 sum에 할당
    int sum = await task1;

    // Worker Thread 에서 실행
    Console.WriteLine(sum);
    Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}

private int LongCalcAsync(int times)
{
    int result = 0;
    for (int i = 0; i < times; i++)
    {
        result += i;
        Thread.Sleep(1000); 
    }
    return result;
}

 

출처 : https://www.csharpstudy.com/CSharp/CSharp-async-await.aspx