一、异步编程基础概念
在计算机编程的世界里，同步和异步是两种不同的执行模式。同步编程就像是我们按顺序一件一件地完成任务，只有前一个任务完成了，才能开始下一个任务。而异步编程则允许我们在等待某个任务完成的同时，去执行其他任务，这样可以大大提高程序的效率。
在 C# 中，异步编程主要是通过 async 和 await 关键字以及 Task 并行库来实现的。下面我们先来看看为什么需要异步编程。
应用场景
想象一下，你正在开发一个客户端应用程序，它需要从网络上下载一个大文件。如果使用同步编程，在下载文件的过程中，程序会被阻塞，用户界面会变得卡顿，无法响应用户的其他操作。而使用异步编程，程序可以在下载文件的同时，继续处理用户的其他操作，提供更好的用户体验。
再比如，在服务器端应用程序中，当处理大量的并发请求时，异步编程可以让服务器在等待 I/O 操作（如数据库查询、网络请求等）完成的同时，去处理其他请求，提高服务器的吞吐量。
技术优缺点
优点
- 提高响应性：在客户端应用中，避免界面卡顿，提升用户体验。在服务器端应用中，能够处理更多的并发请求。
- 资源利用率高：在等待 I/O 操作时，线程可以被释放出来去处理其他任务，减少线程阻塞的时间。
缺点
- 代码复杂度增加：异步编程的代码结构相对复杂，需要开发者对异步编程模型有深入的理解。
- 调试困难：由于异步操作的执行顺序可能与代码的编写顺序不一致，调试时可能会遇到一些困难。
注意事项
- 避免在异步方法中使用
Thread.Sleep：Thread.Sleep会阻塞当前线程，破坏了异步编程的优势，应该使用Task.Delay来代替。 - 确保异步方法的返回类型正确：异步方法通常返回
Task或Task<T>，如果方法没有返回值，返回Task；如果有返回值，返回Task<T>，其中T是返回值的类型。
二、async/await 的使用
async 和 await 是 C# 中用于简化异步编程的关键字。async 用于修饰方法，表示该方法是一个异步方法。await 只能在异步方法中使用，用于等待一个 Task 完成，并返回其结果。
下面是一个简单的示例：
using System;
using System.Threading.Tasks;
class Program
{
// 异步方法，模拟一个耗时的操作
public static async Task<int> LongRunningOperationAsync()
{
// 模拟耗时操作，使用 Task.Delay 代替 Thread.Sleep
await Task.Delay(2000);
return 42;
}
public static async Task Main()
{
Console.WriteLine("开始执行异步操作...");
// 调用异步方法并等待结果
int result = await LongRunningOperationAsync();
Console.WriteLine($"异步操作完成，结果是: {result}");
}
}
代码解释
LongRunningOperationAsync方法被async关键字修饰，表明这是一个异步方法。await Task.Delay(2000)表示等待 2 秒钟，Task.Delay是一个异步操作，不会阻塞当前线程。- 在
Main方法中，使用await关键字调用LongRunningOperationAsync方法，并等待其返回结果。
多任务并行执行
有时候，我们需要同时执行多个异步任务，并等待它们全部完成。可以使用 Task.WhenAll 方法来实现：
using System;
using System.Threading.Tasks;
class Program
{
public static async Task<int> Task1Async()
{
await Task.Delay(1000);
return 1;
}
public static async Task<int> Task2Async()
{
await Task.Delay(2000);
return 2;
}
public static async Task Main()
{
Console.WriteLine("开始执行多个异步任务...");
// 同时启动两个异步任务
Task<int> task1 = Task1Async();
Task<int> task2 = Task2Async();
// 等待所有任务完成
int[] results = await Task.WhenAll(task1, task2);
Console.WriteLine($"任务 1 的结果: {results[0]}");
Console.WriteLine($"任务 2 的结果: {results[1]}");
}
}
代码解释
Task1Async和Task2Async是两个异步方法，分别模拟不同的耗时操作。- 在
Main方法中，同时启动这两个任务，并使用Task.WhenAll方法等待它们全部完成。Task.WhenAll会返回一个Task<int[]>，其中包含了所有任务的结果。
三、Task 并行库
Task 并行库（TPL）是 .NET 提供的一个用于并行编程的库，它提供了丰富的 API 来创建和管理异步任务。除了前面介绍的 Task.Delay 和 Task.WhenAll 方法，还有很多其他有用的方法。
创建和启动任务
可以使用 Task.Run 方法来创建并启动一个新的任务：
using System;
using System.Threading.Tasks;
class Program
{
public static void DoWork()
{
Console.WriteLine("任务开始执行...");
// 模拟耗时操作
Task.Delay(2000).Wait();
Console.WriteLine("任务执行完成。");
}
public static async Task Main()
{
Console.WriteLine("主线程开始执行...");
// 创建并启动一个新的任务
Task task = Task.Run(() => DoWork());
// 等待任务完成
await task;
Console.WriteLine("主线程继续执行...");
}
}
代码解释
Task.Run(() => DoWork())创建并启动了一个新的任务，该任务会执行DoWork方法。await task等待任务完成，确保主线程在任务完成后才继续执行。
任务的取消
在某些情况下，我们可能需要取消正在执行的任务。可以使用 CancellationTokenSource 来实现任务的取消：
using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
class Program
{
public static async Task DoWorkAsync(CancellationToken cancellationToken)
{
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
// 检查是否取消任务
if (cancellationToken.IsCancellationRequested)
{
Console.WriteLine("任务被取消。");
return;
}
Console.WriteLine($"工作进行中: {i}");
await Task.Delay(500, cancellationToken);
}
}
public static async Task Main()
{
// 创建一个 CancellationTokenSource 对象
CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
// 启动任务
Task task = DoWorkAsync(cts.Token);
// 模拟一段时间后取消任务
await Task.Delay(2000);
cts.Cancel();
try
{
// 等待任务完成
await task;
}
catch (OperationCanceledException)
{
Console.WriteLine("捕获到任务取消异常。");
}
}
}
代码解释
CancellationTokenSource用于创建一个取消标记源，通过cts.Token可以获取取消标记。- 在
DoWorkAsync方法中，通过cancellationToken.IsCancellationRequested检查是否取消任务。 cts.Cancel()方法用于取消任务，当任务被取消时，会抛出OperationCanceledException异常。
四、异步性能优化
在实际开发中，合理使用异步编程可以提高程序的性能，但如果使用不当，也可能会导致性能下降。下面介绍一些异步性能优化的技巧。
避免过度创建任务
创建任务是有开销的，过度创建任务会增加系统的负担。可以使用线程池来复用线程，减少任务创建的开销。例如，使用 Task.Run 时，任务会被放入线程池队列中执行：
using System;
using System.Threading.Tasks;
class Program
{
public static void DoWork()
{
// 模拟耗时操作
Task.Delay(100).Wait();
}
public static async Task Main()
{
for (int i = 0; i < 1000; i++)
{
// 使用线程池执行任务
await Task.Run(() => DoWork());
}
}
}
合理使用异步 I/O 操作
在进行 I/O 操作（如文件读写、网络请求等）时，尽量使用异步 I/O 方法，避免阻塞线程。例如，使用 StreamReader.ReadToEndAsync 方法进行异步文件读取：
using System;
using System.IO;
using System.Threading.Tasks;
class Program
{
public static async Task<string> ReadFileAsync(string filePath)
{
using (StreamReader reader = new StreamReader(filePath))
{
// 异步读取文件内容
return await reader.ReadToEndAsync();
}
}
public static async Task Main()
{
string filePath = "test.txt";
string content = await ReadFileAsync(filePath);
Console.WriteLine(content);
}
}
异步方法的嵌套调用
在异步方法中嵌套调用其他异步方法时，要注意避免不必要的等待。可以直接返回内部异步方法的 Task，让调用者去等待：
using System;
using System.Threading.Tasks;
class Program
{
public static async Task<int> InnerTaskAsync()
{
await Task.Delay(1000);
return 42;
}
public static Task<int> OuterTaskAsync()
{
// 直接返回内部异步方法的 Task
return InnerTaskAsync();
}
public static async Task Main()
{
int result = await OuterTaskAsync();
Console.WriteLine($"结果: {result}");
}
}
文章总结
C# 中的异步编程通过 async/await 关键字和 Task 并行库为我们提供了强大的异步编程能力。async/await 简化了异步代码的编写，让我们可以像编写同步代码一样编写异步代码。Task 并行库提供了丰富的 API 来创建和管理异步任务，包括任务的创建、启动、取消等。
在实际开发中，合理使用异步编程可以提高程序的响应性和资源利用率，但也需要注意代码的复杂度和调试的困难。通过合理的性能优化技巧，如避免过度创建任务、使用异步 I/O 操作等，可以进一步提高程序的性能。
评论