C# 異步詳解

C# 異步編程詳解

一、異步編程基礎概念

1. 同步 vs 異步

??同步(Synchronous)??：任務按順序執行，前一個任務完成后才會執行下一個
??異步(Asynchronous)??：任務可以非阻塞地啟動，主線程可以繼續執行其他操作

2. 異步編程的優勢

提高應用程序響應能力（特別是UI應用）
更好地利用系統資源
避免線程阻塞
提高吞吐量

二、C#異步編程模型

1. async/await關鍵字

public async Task<string> GetDataAsync()
{// 模擬耗時操作await Task.Delay(1000);return "Data loaded";
}// 使用
var data = await GetDataAsync();
Console.WriteLine(data);

??關鍵點??：

async修飾方法，表示該方法包含異步操作
await關鍵字用于等待異步操作完成
異步方法返回Task或Task<T>

2. Task和Task

// 返回void的異步方法（僅用于事件處理）
public async void HandleButtonClick()
{await SomeAsyncOperation();
}// 返回Task的異步方法
public async Task ProcessDataAsync()
{await File.ReadAllTextAsync("data.txt");
}// 返回Task<T>的異步方法
public async Task<int> CalculateSumAsync(IEnumerable<int> numbers)
{return await Task.Run(() => numbers.Sum());
}

??Task狀態??：

Created：已創建但未啟動
WaitingForActivation：等待激活
WaitingToRun：等待運行
Running：正在運行
RanToCompletion：已完成
Canceled：已取消
Faulted：出錯

三、異步方法實現方式

1. 基于I/O的異步操作

// 文件I/O
public async Task ReadFileAsync(string path)
{using (var reader = File.OpenText(path)){var content = await reader.ReadToEndAsync();Console.WriteLine(content);}
}// 網絡I/O
public async Task DownloadDataAsync(string url)
{using (var client = new HttpClient()){var response = await client.GetStringAsync(url);Console.WriteLine(response);}
}

2. 基于CPU的異步操作

// 使用Task.Run將CPU密集型工作轉移到線程池
public async Task ProcessDataAsync(IEnumerable<int> data)
{var result = await Task.Run(() =>{// CPU密集型計算return data.Sum(x => x * x);});Console.WriteLine($"Sum: {result}");
}

??注意??：對于真正的并行計算，考慮使用Parallel.For或PLINQ

3. 組合多個異步操作

// 等待多個任務完成
public async Task ProcessMultipleAsync()
{var task1 = GetDataAsync();var task2 = GetOtherDataAsync();// 等待所有完成await Task.WhenAll(task1, task2);Console.WriteLine($"Data1: {task1.Result}, Data2: {task2.Result}");
}// 等待任意一個完成
public async Task ProcessAnyAsync()
{var task1 = GetDataAsync();var task2 = GetOtherDataAsync();var completedTask = await Task.WhenAny(task1, task2);Console.WriteLine($"Completed: {completedTask == task1 ? "Task1" : "Task2"}");
}

四、異步編程最佳實踐

1. 避免async void

// 不推薦 - 無法捕獲異常
public async void DangerousMethod()
{throw new Exception("Oops!");
}// 推薦 - 可以await或等待
public async Task SafeMethodAsync()
{await Task.Delay(100);throw new Exception("Oops!");
}

??例外??：事件處理程序可以使用async void

2. 異常處理

public async Task HandleExceptionsAsync()
{try{await SomeAsyncOperation();}catch (Exception ex){// 處理異常Console.WriteLine($"Error: {ex.Message}");}
}// 多個任務的異常處理
public async Task HandleMultipleExceptionsAsync()
{try{await Task.WhenAll(Operation1(),Operation2(),Operation3());}catch (AggregateException ae){foreach (var ex in ae.InnerExceptions){Console.WriteLine($"Error: {ex.Message}");}}
}

3. 取消異步操作

// 使用CancellationToken
public async Task LongRunningOperationAsync(CancellationToken token)
{for (int i = 0; i < 100; i++){token.ThrowIfCancellationRequested();await Task.Delay(100, token);Console.WriteLine($"Step {i}");}
}// 使用示例
var cts = new CancellationTokenSource();
try
{await LongRunningOperationAsync(cts.Token);
}
catch (OperationCanceledException)
{Console.WriteLine("Operation was canceled");
}// 取消操作
cts.Cancel();

4. 異步方法設計原則

??返回Task而非void??（除非是事件處理程序）
??避免在異步方法中使用Result或Wait()??（可能導致死鎖）
??保持異步方法鏈??（避免混合同步和異步代碼）
??考慮異步方法的粒度??（不要過度拆分）

五、異步與并行編程

1. 異步 vs 并行

特性	異步編程	并行編程
目標	非阻塞執行	同時執行多個任務
線程使用	通常不創建新線程	使用多個線程
適用場景	I/O密集型操作	CPU密集型操作
關鍵字	async/await	Parallel.For/ForEach

2. 混合使用示例

public async Task ProcessDataAsync(IEnumerable<Data> data)
{// 并行處理數據項var processedData = data.AsParallel().Select(d => ProcessItem(d)).ToList();// 異步保存結果await SaveResultsAsync(processedData);
}private Data ProcessItem(Data d)
{// CPU密集型處理return new Data { /* ... */ };
}private async Task SaveResultsAsync(IEnumerable<Data> data)
{// 異步保存到數據庫await _dbContext.BulkInsertAsync(data);
}

六、異步編程中的常見問題

1. 死鎖問題

??錯誤示例??：

public async Task DeadlockExample()
{await Task.Run(async () =>{// 在UI線程上調用Wait()會導致死鎖await SomeAsyncOperation().ConfigureAwait(false); // 解決方案}).Wait(); // 阻塞調用
}

??解決方案??：

使用ConfigureAwait(false)（非UI上下文）
避免在異步方法中調用.Result或.Wait()
使用await而不是Task.Run包裝異步操作

2. 上下文保留問題

// 默認情況下，await會捕獲當前上下文（如UI線程）
public async Task UpdateUIAsync()
{var data = await GetDataAsync();// 自動回到UI線程textBox.Text = data;
}// 如果不需要回到原始上下文
public async Task ProcessInBackgroundAsync()
{var data = await GetDataAsync().ConfigureAwait(false);// 不會回到原始上下文ProcessData(data);
}

3. 性能優化

??避免過度異步化??：

// 不必要的異步包裝
public async Task UnnecessaryAsync()
{await Task.Run(() => {// 同步操作Thread.Sleep(1000);});
}

??正確做法??：

只對真正的I/O操作使用異步
對CPU密集型操作考慮并行處理
避免在熱路徑上使用異步（如游戲循環）

七、高級異步模式

1. 異步流(IAsyncEnumerable)

// 生成異步流
public async IAsyncEnumerable<int> GenerateNumbersAsync(int count)
{for (int i = 0; i < count; i++){await Task.Delay(100); // 模擬異步操作yield return i;}
}// 使用異步流
await foreach (var number in GenerateNumbersAsync(10))
{Console.WriteLine(number);
}

2. 異步鎖

private readonly SemaphoreSlim _semaphore = new(1, 1);public async Task ProtectedOperationAsync()
{await _semaphore.WaitAsync();try{// 受保護的代碼}finally{_semaphore.Release();}
}

3. 異步工廠模式

public interface IAsyncFactory<T>
{Task<T> CreateAsync();
}public class AsyncDataFactory : IAsyncFactory<Data>
{public async Task<Data> CreateAsync(){await Task.Delay(100); // 模擬異步初始化return new Data();}
}

八、異步測試

1. 單元測試異步方法

[Fact]
public async Task TestAsyncMethod()
{// Arrangevar service = new MyService();// Actvar result = await service.GetAsync();// AssertAssert.NotNull(result);
}// 使用Moq測試異步方法
[Fact]
public async Task TestWithMock()
{var mock = new Mock<IRepository>();mock.Setup(r => r.GetDataAsync()).ReturnsAsync(new Data { Id = 1 });var service = new MyService(mock.Object);var result = await service.GetData();Assert.Equal(1, result.Id);
}

2. 測試異步代碼中的異常

[Fact]
public async Task TestException()
{// Arrangevar service = new FaultyService();// Act & Assertawait Assert.ThrowsAsync<InvalidOperationException>(() => service.FaultyOperationAsync());
}

九、異步性能監控

1. 使用DiagnosticSource

// 在異步方法中添加診斷事件
private static readonly DiagnosticSource _diagnosticSource = new DiagnosticListener("MyAsyncComponent");public async Task ProcessAsync()
{if (_diagnosticSource.IsEnabled("StartProcess")){_diagnosticSource.Write("StartProcess", new { Timestamp = DateTime.UtcNow });}await Task.Delay(100);if (_diagnosticSource.IsEnabled("EndProcess")){_diagnosticSource.Write("EndProcess", new { Duration = 100 });}
}

2. 使用AsyncLocal跟蹤上下文

private static readonly AsyncLocal<string> _context = new();public async Task OperationWithContext()
{_context.Value = "OperationStarted";await Task.Delay(100);Console.WriteLine(_context.Value); // 仍然可以訪問
}