4. Внутреннее устройство Task¶

// Глава 4, итог. Заглядываем внутрь Task через [UnsafeAccessor]:
//   1) m_stateFlags у задач разного происхождения (§4.2);
//   2) m_continuationObject: одно продолжение, список, метка завершения (§4.3);
//   3) кто выполняет продолжение: инлайн или очередь пула (§4.4).
using static TaskInternals;

Console.WriteLine("== 1. Флаги состояния ==");
Show("new Task(() => {})", new Task(() => { }));
Show("Task.CompletedTask", Task.CompletedTask);
Show("Task.FromResult(1000)", Task.FromResult(1000));
var tcs = new TaskCompletionSource<int>();
Show("TCS.Task до SetResult", tcs.Task);
var tcsAsync = new TaskCompletionSource<int>(TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously);
Show("TCS(RunContinuationsAsynchronously)", tcsAsync.Task);
Task delay = Task.Delay(Timeout.Infinite);
Show("Task.Delay(Infinite)", delay);
Task pendingAsync = WaitAsync(tcs.Task);                    // async-метод, приостановленный на tcs.Task
Show("async-метод в ожидании (бокс)", pendingAsync);
var gate = new ManualResetEventSlim();
Task running = Task.Run(() => gate.Wait());
Thread.Sleep(100);                                          // дать Task.Run начать выполняться
Show("Task.Run, выполняется", running);
gate.Set();
await running;
Show("Task.Run, завершён", running);
Show("Task.FromException", Task.FromException(new InvalidOperationException()));
Show("Task.FromCanceled", Task.FromCanceled(new CancellationToken(canceled: true)));

Console.WriteLine();
Console.WriteLine("== 2. Список продолжений m_continuationObject ==");
var source = new TaskCompletionSource<int>();
Console.WriteLine($"  подписчиков 0: {Continuations(source.Task)}");
Task w1 = WaitAsync(source.Task);
Console.WriteLine($"  подписчиков 1: {Continuations(source.Task)}");
Task w2 = WaitAsync(source.Task);
Console.WriteLine($"  подписчиков 2: {Continuations(source.Task)}");
Task w3 = source.Task.ContinueWith(_ => { });
Console.WriteLine($"  подписчиков 3: {Continuations(source.Task)}");
source.SetResult(1);
Console.WriteLine($"  после SetResult: {Continuations(source.Task)}");
await Task.WhenAll(w1, w2, w3);

Console.WriteLine();
Console.WriteLine("== 3. Кто выполняет продолжение ==");
await Who("обычная TCS", new TaskCompletionSource<int>());
await Who("TCS(RunContinuationsAsynchronously)", new TaskCompletionSource<int>(TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously));

static void Show(string title, Task task) =>
    Console.WriteLine($"  {title,-38} {task.Status,-20} {Flags(task)}");

static async Task WaitAsync(Task task) => await task;

static async Task Who(string title, TaskCompletionSource<int> tcs)
{
    int setter = 0, continuation = 0;
    Task waiter = Continue();
    await Task.Run(() =>
    {
        setter = Environment.CurrentManagedThreadId;
        tcs.SetResult(1);                                   // здесь выполнится продолжение — или встанет в очередь
    });
    await waiter;
    Console.WriteLine($"  {title,-38} SetResult на потоке {setter}, продолжение на потоке {continuation}" +
                      (setter == continuation ? " — инлайн, внутри SetResult" : " — через очередь пула"));

    async Task Continue()
    {
        await tcs.Task;
        continuation = Environment.CurrentManagedThreadId;
    }
}

using System.Runtime.CompilerServices;

// Глава 4, заготовка. Доступ к приватным полям Task через [UnsafeAccessor] (.NET 8+): без отражения, с проверкой имени поля при первом вызове.
// Имена полей — из декомпиляции System.Private.CoreLib 10.0.12 (глава 4, §4.1). Это детали реализации, не контракт.
public static class TaskInternals
{
    // TODO: замените тела трёх методов на объявления с атрибутом
    //   [UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.Field, Name = "<имя поля>")] public static extern ref <тип> Имя(Task task);
    // Имена и типы полей — в README главы 4, §4.1.
    public static ref int StateFlags(Task task) =>
        throw new NotImplementedException("TODO: доступ к m_stateFlags");

    public static ref object? ContinuationObject(Task task) =>
        throw new NotImplementedException("TODO: доступ к m_continuationObject");

    public static ref Delegate? Action(Task task) =>
        throw new NotImplementedException("TODO: доступ к m_action");

    // Расшифровка m_stateFlags. Числа — из кода CoreLib (Task.Status, InternalTaskOptions), имена — как в исходниках dotnet/runtime.
    static readonly (int Bit, string Name)[] Bits =
    [
        (0x1, "PreferFairness"), (0x2, "LongRunning"), (0x4, "AttachedToParent"), (0x8, "DenyChildAttach"),
        (0x10, "HideScheduler"), (0x40, "RunContinuationsAsynchronously"),                    // TaskCreationOptions
        (0x200, "ContinuationTask"), (0x400, "PromiseTask"), (0x800, "HiddenState"),
        (0x1000, "LazyCancellation"), (0x2000, "QueuedByRuntime"), (0x4000, "DoNotDispose"),  // InternalTaskOptions
        (0x10000, "Started"), (0x20000, "DelegateInvoked"), (0x40000, "Disposed"),
        (0x80000, "ExceptionObservedByParent"), (0x100000, "CancellationAcknowledged"),
        (0x200000, "Faulted"), (0x400000, "Canceled"), (0x800000, "WaitingOnChildren"),
        (0x1000000, "RanToCompletion"), (0x2000000, "WaitingForActivation"),
        (0x4000000, "CompletionReserved"), (0x10000000, "WaitCompletionNotification"),       // состояние
    ];

    public static string Flags(Task task)
    {
        int flags;
        try { flags = StateFlags(task); }
        catch (NotImplementedException e) { return e.Message; }
        var names = Bits.Where(b => (flags & b.Bit) != 0).Select(b => b.Name);
        return $"0x{flags:X8} = {string.Join(" | ", names)}";
    }

    public static string Continuations(Task task)
    {
        try { return Describe(ContinuationObject(task)); }
        catch (NotImplementedException e) { return e.Message; }
    }

    static string Describe(object? continuation) => continuation switch
    {
        null => "null (продолжений нет)",
        List<object> list => $"List<object>, элементов: {list.Count} ({string.Join(", ", list.Select(Short))})",
        { } o when o.GetType() == typeof(object) => "object — метка «задача завершена» (s_taskCompletionSentinel)",
        { } o => Short(o),
    };

    public static string Short(object? o) => o switch
    {
        null => "null",
        _ when o.GetType().Name.StartsWith("AsyncStateMachineBox") => "бокс машины",
        Delegate d => $"делегат {d.Method.Name}",
        _ => o.GetType().Name,
    };
}

// Глава 4, итог. Заглядываем внутрь Task через [UnsafeAccessor]:
//   1) m_stateFlags у задач разного происхождения (§4.2);
//   2) m_continuationObject: одно продолжение, список, метка завершения (§4.3);
//   3) кто выполняет продолжение: инлайн или очередь пула (§4.4).
using static TaskInternals;

Console.WriteLine("== 1. Флаги состояния ==");
Show("new Task(() => {})", new Task(() => { }));
Show("Task.CompletedTask", Task.CompletedTask);
Show("Task.FromResult(1000)", Task.FromResult(1000));
var tcs = new TaskCompletionSource<int>();
Show("TCS.Task до SetResult", tcs.Task);
var tcsAsync = new TaskCompletionSource<int>(TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously);
Show("TCS(RunContinuationsAsynchronously)", tcsAsync.Task);
Task delay = Task.Delay(Timeout.Infinite);
Show("Task.Delay(Infinite)", delay);
Task pendingAsync = WaitAsync(tcs.Task);                    // async-метод, приостановленный на tcs.Task
Show("async-метод в ожидании (бокс)", pendingAsync);
var gate = new ManualResetEventSlim();
Task running = Task.Run(() => gate.Wait());
Thread.Sleep(100);                                          // дать Task.Run начать выполняться
Show("Task.Run, выполняется", running);
gate.Set();
await running;
Show("Task.Run, завершён", running);
Show("Task.FromException", Task.FromException(new InvalidOperationException()));
Show("Task.FromCanceled", Task.FromCanceled(new CancellationToken(canceled: true)));

Console.WriteLine();
Console.WriteLine("== 2. Список продолжений m_continuationObject ==");
var source = new TaskCompletionSource<int>();
Console.WriteLine($"  подписчиков 0: {Continuations(source.Task)}");
Task w1 = WaitAsync(source.Task);
Console.WriteLine($"  подписчиков 1: {Continuations(source.Task)}");
Task w2 = WaitAsync(source.Task);
Console.WriteLine($"  подписчиков 2: {Continuations(source.Task)}");
Task w3 = source.Task.ContinueWith(_ => { });
Console.WriteLine($"  подписчиков 3: {Continuations(source.Task)}");
source.SetResult(1);
Console.WriteLine($"  после SetResult: {Continuations(source.Task)}");
await Task.WhenAll(w1, w2, w3);

Console.WriteLine();
Console.WriteLine("== 3. Кто выполняет продолжение ==");
await Who("обычная TCS", new TaskCompletionSource<int>());
await Who("TCS(RunContinuationsAsynchronously)", new TaskCompletionSource<int>(TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously));

static void Show(string title, Task task) =>
    Console.WriteLine($"  {title,-38} {task.Status,-20} {Flags(task)}");

static async Task WaitAsync(Task task) => await task;

static async Task Who(string title, TaskCompletionSource<int> tcs)
{
    int setter = 0, continuation = 0;
    Task waiter = Continue();
    await Task.Run(() =>
    {
        setter = Environment.CurrentManagedThreadId;
        tcs.SetResult(1);                                   // здесь выполнится продолжение — или встанет в очередь
    });
    await waiter;
    Console.WriteLine($"  {title,-38} SetResult на потоке {setter}, продолжение на потоке {continuation}" +
                      (setter == continuation ? " — инлайн, внутри SetResult" : " — через очередь пула"));

    async Task Continue()
    {
        await tcs.Task;
        continuation = Environment.CurrentManagedThreadId;
    }
}

using System.Runtime.CompilerServices;

// Доступ к приватным полям Task через [UnsafeAccessor] (.NET 8+): без отражения, с проверкой имени поля при первом вызове.
// Имена полей — из декомпиляции System.Private.CoreLib 10.0.12 (глава 4, §4.1). Это детали реализации, не контракт.
public static class TaskInternals
{
    [UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.Field, Name = "m_stateFlags")]
    public static extern ref int StateFlags(Task task);

    [UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.Field, Name = "m_continuationObject")]
    public static extern ref object? ContinuationObject(Task task);

    [UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.Field, Name = "m_action")]
    public static extern ref Delegate? Action(Task task);

    // Расшифровка m_stateFlags. Числа — из кода CoreLib (Task.Status, InternalTaskOptions), имена — как в исходниках dotnet/runtime.
    static readonly (int Bit, string Name)[] Bits =
    [
        (0x1, "PreferFairness"), (0x2, "LongRunning"), (0x4, "AttachedToParent"), (0x8, "DenyChildAttach"),
        (0x10, "HideScheduler"), (0x40, "RunContinuationsAsynchronously"),                    // TaskCreationOptions
        (0x200, "ContinuationTask"), (0x400, "PromiseTask"), (0x800, "HiddenState"),
        (0x1000, "LazyCancellation"), (0x2000, "QueuedByRuntime"), (0x4000, "DoNotDispose"),  // InternalTaskOptions
        (0x10000, "Started"), (0x20000, "DelegateInvoked"), (0x40000, "Disposed"),
        (0x80000, "ExceptionObservedByParent"), (0x100000, "CancellationAcknowledged"),
        (0x200000, "Faulted"), (0x400000, "Canceled"), (0x800000, "WaitingOnChildren"),
        (0x1000000, "RanToCompletion"), (0x2000000, "WaitingForActivation"),
        (0x4000000, "CompletionReserved"), (0x10000000, "WaitCompletionNotification"),       // состояние
    ];

    public static string Flags(Task task)
    {
        int flags = StateFlags(task);
        var names = Bits.Where(b => (flags & b.Bit) != 0).Select(b => b.Name);
        return $"0x{flags:X8} = {string.Join(" | ", names)}";
    }

    public static string Continuations(Task task) => ContinuationObject(task) switch
    {
        null => "null (продолжений нет)",
        List<object> list => $"List<object>, элементов: {list.Count} ({string.Join(", ", list.Select(Short))})",
        { } o when o.GetType() == typeof(object) => "object — метка «задача завершена» (s_taskCompletionSentinel)",
        { } o => Short(o),
    };

    public static string Short(object? o) => o switch
    {
        null => "null",
        _ when o.GetType().Name.StartsWith("AsyncStateMachineBox") => "бокс машины",
        Delegate d => $"делегат {d.Method.Name}",
        _ => o.GetType().Name,
    };
}