C#中async/await中的异常处理

在同步编程中，一旦出现错误就会抛出异常，我们可以使用try…catch来捕捉异常，而未被捕获的异常则会不断向上传递，形成一个简单而统一的错误处理机制。不过对于异步编程来说，异常处理一直是件麻烦的事情，这也是C#中async/await或是Jscex等异步编程模型的优势之一。但是，同步的错误处理机制，并不能完全避免异步形式的错误处理方式，这需要一定实践规范来保证，至少我们需要了解async/await到底是如何捕获和分发异常的。在开发Jscex的过程中，我深入了解了很多关于TPL和C#异步特性方面的问题，错误处理自然也是其中之一。

使用try…catch捕获异常

首先我们来看下这段代码：

C#

static async Task ThrowAfter(int timeout, Exception ex)
{
    await Task.Delay(timeout);
    throw ex;
}

static void PrintException(Exception ex)
{
    Console.WriteLine("Time: {0}
{1}
============", _watch.Elapsed, ex);
}

static Stopwatch _watch = new Stopwatch();

static async Task MissHandling()
{
    var t1 = ThrowAfter(1000, new NotSupportedException("Error 1"));
    var t2 = ThrowAfter(2000, new NotImplementedException("Error 2"));

    try
    {
        await t1;
    }
    catch (NotSupportedException ex)
    {
        PrintException(ex);
    }
}

static void Main(string[] args)
{
    _watch.Start();

    MissHandling();

    Console.ReadLine();
}

这段代码的输出如下：

 

Time: 00:00:01.2058970
System.NotSupportedException: Error 1
   at AsyncErrorHandling.Program.d__0.MoveNext() in ...Program.cs:line 16
--- End of stack trace from previous location where exception was thrown ---
   at System.Runtime.CompilerServices.TaskAwaiter.ThrowForNonSuccess(Task task)
   at System.Runtime.CompilerServices.TaskAwaiter.HandleNonSuccessAndDebuggerNotification(Task task)
   at System.Runtime.CompilerServices.TaskAwaiter.GetResult()
   at AsyncErrorHandling.Program.d__3.MoveNext() in ...Program.cs:line 33
============

在MissingHandling方法中，我们首先使用ThrowAfter方法开启两个任务，它们会分别在一秒及两秒后抛出两个不同的异常。但是在接下来的try中，我们只对t1进行await操作。很容易理解，t1抛出的NotSupportedException将被catch捕获，耗时大约为1秒左右——当然，从上面的数据可以看出，其实t1在被“捕获”时已经耗费了1.2时间，误差较大。这是因为程序刚启动，TPL内部正处于“热身”状态，在调度上会有较大开销。这里反倒是另一个问题倒更值得关注：t2在两秒后抛出的NotImplementedException到哪里去了？

未捕获的异常

C#的async/await功能基于TPL的Task对象，每个await操作符都是“等待”一个Task完成。在之前（或者说如今）的TPL中，Task对象的析构函数会查看它的Exception对象有没有被“访问”过，如果没有，且Task对象出现了异常，则会抛出这个异常，最终导致的结果往往便是进程退出。因此，我们必须小心翼翼地处理每一个Task对象的错误，不得遗漏。在.NET 4.5中这个行为被改变了，对于任何没有被检查过的异常，便会触发TaskSchedular.UnobservedTaskException事件——如果您不监听这个事件，未捕获的异常也就这么无影无踪了。

为此，我们对Main方法进行一个简单的改造。

C#

 

static void Main(string[] args)
{
    TaskScheduler.UnobservedTaskException += (_, ev) => PrintException(ev.Exception);

    _watch.Start();

    MissHandling();

    while (true)
    {
        Thread.Sleep(1000);
        GC.Collect();
    }
}

改造有两点，一是响应TaskScheduler.UnobservedTaskException，这自然不必多说。还有一点便是不断地触发垃圾回收，以便Finalizer线程调用析构函数。如今这段代码除了打印出之前的信息之外，还会输出以下内容：

 

Time: 00:00:03.0984560
System.AggregateException: A Task's exception(s) were not observed either by Waiting on the Task or accessing its Exception property. As a result, the unobserved exception was rethrown by the finalizer thread. ---> System.NotImplementedException: Error 2
   at AsyncErrorHandling.Program.d__0.MoveNext() in ...Program.cs:line 16
   --- End of inner exception stack trace ---
---> (Inner Exception #0) System.NotImplementedException: Error 2
   at AsyncErrorHandling.Program.d__0.MoveNext() in ...Program.cs:line 16<---
============

 

从上面的信息中可以看出，UnobservedTaskException事件并非在“抛出”异常后便立即触发，而是在某次垃圾收集过程，从Finalizer线程里触发并执行。从中也不难得出这样的结论：便是该事件的响应方法不能过于耗时，更加不能阻塞，否则便会对程序性能造成灾难性的影响。

那么假如我们要同时处理t1和t2中抛出的异常该怎么做呢？此时便是Task.WhenAll方法上场的时候了：

C#

 

static async Task BothHandled()
{
    var t1 = ThrowAfter(1000, new NotSupportedException("Error 1"));
    var t2 = ThrowAfter(2000, new NotImplementedException("Error 2"));
    
    try
    {
        await Task.WhenAll(t1, t2);
    }
    catch (NotSupportedException ex)
    {
        PrintException(ex);
    }
}

如果您执行这段代码，会发现其输出与第一段代码相同，但其实不同的是，第一段代码中t2的异常被“遗漏”了，而目前这段代码t1和t2的异常都被捕获了，只不过await语句仅仅“抛出”了“其中一个”异常而已。

WhenAll是一个辅助方法，它的输入是n个Task对象，输出则是个返回它们的结果数组的Task对象。新的Task对象会在所有输入全部“结束”后才完成。在这里“结束”的意思包括成功和失败（取消也是失败的一种，即抛出了OperationCanceledException）。换句话说，假如这n个输入中的某个Task对象很快便失败了，也必须等待其他所有输入对象成功或是失败之后，新的Task对象才算完成。而新的Task对象完成后又可能会有两种表现：

• 所有输入Task对象都成功了：则返回它们的结果数组。
• 至少一个输入Task对象失败了：则抛出“其中一个”异常。

全部成功的情况自不必说，那么在失败的情况下，什么叫做抛出“其中一个”异常？如果我们要处理所有抛出的异常该怎么办？接着我们来详细讨论await操作在异常分派时的相关行为。

await抛出异常时的行为

要理解await的行为，还是从理解Task对象的异常表现开始。Task对象有一个Exception属性，类型为AggregateException，在执行成功的情况下该属性返回null，否则便包含了“所有”出错的对象。既然是AggregateException，则意为着可能包含多个子异常，这种情况往往会在任务的父子关系中出现，具体情况可以参考MSDN中的相关说明。在许多情况下一个Task内部只会出现一个异常，此时这个AggregateException的InnerExceptions属性自然也就只一个元素。

Task对象本身还有一个Wait方法，它会阻塞当前执行代码，直到任务完成。在出现异常的时候，它会将自身的AggregateException抛出：

C#

 

try
{
    t.Wait();
}
catch (AggregateException ex)
{
    ...
}

 

Wait方法是“真阻塞”，而await操作则是使用阻塞语义的代码实现非阻塞的效果，这个区别一定要分清。与Wait方法不同的是，await操作符效果并非是“抛出”Task对象上的Exception属性，而只是抛出这个AggregateException对象上的“其中一个”元素。我向C#开发组询问这么做的设计考虑，他们回答道，这个决策在内部也经历了激烈的争论，最终的选择这种方式而不是直接抛出Task对象上的AggregateException是为了避免编写出冗余的代码，并让代码与传统同步编程习惯更为接近。

他们举了一个简单的示例，假如一个Task对象t可能抛出两种异常，现在的错误捕获方式为：

C#

 

try
{
    await t1;
}
catch (NotSupportedException ex)
{
    ...
}
catch (NotImplementedException ex)
{
    ...
}
catch (Exception ex)
{
    ...
}

 

假如await操作抛出的是AggregateException，那么代码就必须写为：

C#

 

try
{
    await t1;
}
catch (AggregateException ex)
{
    var innerEx = ex.InnerExceptions[0];

    if (innerEx is NotSupportedException)
    {
        ...
    }
    else if (innerEx is NotImplementedException)
    {
        ...
    }
    else
    {
        ...
    }
}

 

显然前者更贴近传统的同步编程习惯。但是问题在于，如果这个Task中包含了多个异常怎么办？之前的描述是抛出“其中一个”异常，对于开发者来说，“其中一个”这种模糊的说法自然无法令人满意，但事实的确如此。从内部邮件列表中的讨论来看，C#开发团队提到他们“故意”不提供文档说明究竟会抛出哪个异常，因为他们并不想做出这方面的约束，因为这部分行为一旦写入文档，便成为一个规定和限制，为了类库的兼容性今后也无法对此做出修改。

他们也提到，如果单论目前的实现，await操作会从Task.Exception.InnerExceptions集合中挑出第一个异常，并对外“抛出”，这是System.Runtime.CompilerServices.TaskAwaiter类中定义的行为。但是既然这并非是“文档化”的固定行为，开发人员也尽量不要依赖这点。

WhenAll的异常汇总方式

其实这个话题跟async/await的行为没有任何联系，WhenAll返回的是普通的Task对象，TaskAwaiter也丝毫不关心当前等待的Task对象是否来自于WhenAll，不过既然WhenAll是最常用的辅助方法之一，也顺便将其讲清楚吧。

WhenAll得到Task对象，其结果是用数组存放的所有子Task的结果，而在出现异常时，其Exception属性返回的AggregateException集合会包含所有子Task中抛出的异常。请注意，每个子Task中抛出的异常将会存放在它自身的AggregateException集合中，WhenAll返回的Task对象将会“按顺序”收集各个AggregateException集合中的元素，而并非收集每个AggregateException对象。

我们使用一个简单的例子来理解这点：

C#

 

Task all = null;
try
{
    await (all = Task.WhenAll(
        Task.WhenAll(
            ThrowAfter(3000, new Exception("Ex3")),
            ThrowAfter(1000, new Exception("Ex1"))),
        ThrowAfter(2000, new Exception("Ex2"))));
}
catch (Exception ex)
{
    ...
}

 

这段代码使用了嵌套的WhenAll方法，总共会出现三个异常，按其抛出的时机排序，其顺序为Ex1，Ex2及Ex3。那么请问：

• catch语句捕获的异常是哪个？
• all.Exception这个AggregateException集合中异常按顺序是哪些？

结果如下：

• catch语句捕获的异常是Ex3，因为它是all.Exception这个AggregateException集合中的第一个元素，但还是请牢记这点，这只是当前TaskAwaiter所实现的行为，而并非是由文档规定的结果。
• all.Exception这个AggregateException集合中异常有三个，按顺序是Ex3，Ex1和Ex2。WhenAll得到的Task对象，是根据输入的Task对象顺序来决定自身AggreagteException集合中异常对象的存放顺序。这个顺序跟异常的抛出时机没有任何关系。

这里我们也顺便可以得知，如果您不想捕获AggregateException集合中的“其中一个”异常，而是想处理所有异常的话，也可以写这样的代码：

C#

 

Task all = null;
try
{
    await (all = Task.WhenAll(
        ThrowAfter(1000, new Exception("Ex1")),
        ThrowAfter(2000, new Exception("Ex2"))));
}
catch
{
    foreach (var ex in all.Exception.InnerExceptions)
    {
        ...
    }
}

 

当然，这里使用Task.WhenAll作为示例，是因为这个Task对象可以明确包含多个异常，但并非只有Task.WhenAll返回的Task对象才可能包含多个异常，例如Task对象在创建时指定了父子关系，也会让父任务里包含各个子任务里出现的异常。

假如异常未被捕获

最后再来看一个简单的问题，我们一直在关注一个async方法中“捕获”异常的行为，假如异常没有成功捕获，直接对外抛出的时候，对任务本身的有什么影响呢？且看这个示例：

C#

 

static async Task SomeTask()
{
    try
    {
        await Task.WhenAll(
            ThrowAfter(2000, new NotSupportedException("Ex1")),
            ThrowAfter(1000, new NotImplementedException("Ex2")));
    }
    catch (NotImplementedException) { }
}

static void Main(string[] args)
{
    _watch.Start();

    SomeTask().ContinueWith(t => PrintException(t.Exception));

    Console.ReadLine();
}

 

这段代码的输出结果是：

 

 

System.AggregateException: One or more errors occurred. ---> System.NotSupportedException: Ex1
   at AsyncErrorHandling.Program.d__0.MoveNext() in ...Program.cs:line 16
--- End of stack trace from previous location where exception was thrown ---
   at System.Runtime.CompilerServices.TaskAwaiter.ThrowForNonSuccess(Task task)
   at System.Runtime.CompilerServices.TaskAwaiter.HandleNonSuccessAndDebuggerNotification(Task task)
   at System.Runtime.CompilerServices.TaskAwaiter.GetResult()
   at AsyncErrorHandling.Program.d__3.MoveNext() in ...Program.cs:line 30
   --- End of inner exception stack trace ---
---> (Inner Exception #0) System.NotSupportedException: Ex1
   at AsyncErrorHandling.Program.d__0.MoveNext() in ...Program.cs:line 16
--- End of stack trace from previous location where exception was thrown ---
   at System.Runtime.CompilerServices.TaskAwaiter.ThrowForNonSuccess(Task task)
   at System.Runtime.CompilerServices.TaskAwaiter.HandleNonSuccessAndDebuggerNotification(Task task)
   at System.Runtime.CompilerServices.TaskAwaiter.GetResult()
   at AsyncErrorHandling.Program.d__3.MoveNext() in ...Program.cs:line 30<---

AggregateException的打印内容不那么容易读，我们可以关注它Inner Exception #0这样的信息。从时间上说，Ex2先于Ex1抛出，而catch的目标是NotImplementedException。但从之前的描述我们可以知道，WhenAll返回的Task内部的异常集合，与各异常抛出的时机没有关系，因此await操作符抛出的是Ex1，是NotSupportedException，而它不会被catch到，因此SomeTask返回的Task对象也会包含这个异常——也仅仅是抛出这个异常，而Ex2对于外部就不可见了。

如果您想在外部处理所有的异常，则可以这样：

C#

 

Task all = null;
try
{
    await (all = Task.WhenAll(
        ThrowAfter(2000, new NotSupportedException("Ex1")),
        ThrowAfter(1000, new NotImplementedException("Ex2"))));
}
catch
{
    throw all.Exception;
}

 

此时打印的结果便是一个AggregateException包含着另一个AggregateException，其中包含了Ex1和Ex2。为了“解开”这种嵌套关系，AggregateException也提供了一个Flatten方法，可以将这种嵌套完全“铺平”，例如：

 

SomeTask().ContinueWith(t => PrintException(t.Exception.Flatten()));

 

此时打印的结果便直接是一个AggregateException包含着Ex1与Ex2了。

原文: https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/jj619227.aspx

参考: 异步编程中的最佳做法(Async/Await)