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初識異步編程

與多線程關系

異步編程操作

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初識異步編程

????????異步編程：是指在執行某些任務時程序可以在等待某個操作完成的過程中繼續執行其他任務，而不是阻塞當前線程，這在處理I/O密集型操作(如文件讀取、數據庫查詢、網絡請求等)時尤為重要，能夠顯著提高應用程序的性能和響應能力。

在.net core中異步編程主要通過async和await關鍵字來實現，結合Task類進行異步操作的管理：

async：標記方法為異步方法使其能夠包含await表達式

await：在異步方法中用于等待一個異步操作完成，允許方法在等待期間繼續執行其他代碼而不會阻塞線程

異步方法通常返回Task或Task<T> 類型：

Task：表示一個沒有返回值的異步操作

Task<T>：表示一個帶返回值的異步操作，其中T是返回值的類型

??????? 作用意義：在進行項目開發的時候通常都會遇到異步編程的使用方式，具備的意義如下：

1）提高應用程序響應性：異步編程可以使得應用程序在等待長時間操作(例如網絡請求或文件讀寫)時繼續處理其他任務而不會卡住主線程，比如在桌面應用或Web應用中用戶界面不會因等待數據加載而變得無響應

2）提升性能：傳統的同步編程會阻塞線程直到操作完成，這可能導致線程資源的浪費，特別是在高并發場景下異步編程允許線程釋放去處理其他任務，避免了線程饑餓問題，最大化利用CPU資源特別是在I/O密集型操作時

3）節省資源：異步操作不需要為每個操作分配新的線程，因此能夠節省系統資源，在高并發情況下異步編程可以顯著減少上下文切換開銷

4）適用于I/O密集型應用：異步編程特別適用于那些需要大量I/O操作的應用，例如網絡請求、磁盤讀取、數據庫查詢等。通過異步操作可以避免長時間等待I/O操作而導致的性能瓶頸

接下來我們通過異步方法從指定的URL路徑上下載網頁內容，將網頁內容保存到本地文件并輸出下載的內容的字節數，代碼結果如下所示：

using System;
using System.IO;
using System.Net.Http;
using System.Threading.Tasks;namespace Program
{class Program{static async Task Main(string[] args){int len = await DownloadHtmlAsync("https://www.baidu.com", @"d:\test\1.txt");Console.WriteLine($"Downloaded {len} bytes.");}static async Task<int> DownloadHtmlAsync(string url, string filename){using (HttpClient client = new HttpClient()){string html = await client.GetStringAsync(url);await File.WriteAllTextAsync(filename, html);return html.Length;}}}
}

與多線程關系

異步編程并不等于多線程，這是兩個概念，異步方法的代碼并不會自動在新線程中執行，除非把代碼放到新線程中執行，以下做一個簡單的演示：

使用異步方法來執行長時間運行的計算，通過Thread.CurrentThread.ManagedThreadId輸出當前執行線程的ID，可以看到異步方法和線程調度的關系如下，這里我們通過計算5000*5000的情況避免執行太快：

using System;
using System.IO;
using System.Net.Http;
using System.Threading.Tasks;namespace Program
{class Program{static async Task Main(string[] args){Console.WriteLine("之前：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);double r = await CalcAsync(5000);Console.WriteLine("之后：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);}static async Task<double> CalcAsync(int n){Console.WriteLine("CalcAsync" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);double result = 0;Random rand = new Random();for (int i = 1; i <= n*n; i++){result += rand.NextDouble();}return result;}}
}

那么如何在新的線程中執行異步方法呢？這里我們必須手動將異步方法放到新的線程中，這里我們只需要將要執行的代碼以委托的形式傳遞給Task.Run()，這樣就會從線程池中取出一個線程來執行我們的委托，如下可以看到我們的線程已經發送了變化：

如果一個異步方法只是對別的異步方法調用轉發，并沒有太多復雜的邏輯，那么就可以去掉異步關鍵字直接返回Task，如下所示：

對于多線程來講，在await調用的等待期間.net會把當前的線程返回給線程池，等異步方法調用執行完畢之后，框架會從線程池再取出一個線程執行后續代碼，怎么理解？比如說你進入一家餐館服務器給你遞上一個菜單，在等待你選菜的時候服務你的服務員可能會繼續服務別人，當你點餐完畢提交給服務員之后，服務你的服務員可能就不是剛剛服務你的人了，就是這么個意思，當然如果異步等待時間極短，線程可能就不會發送變化：

盡管異步編程和多線程都涉及到并發執行任務，但它們的工作原理和適用場景有所不同，可以把它們看作是兩個不同的工具用于解決不同類型的并發問題：

異步編程：通過非阻塞的方式執行操作，適用于 I/O 密集型任務，能夠節省線程資源提高應用的響應性。

多線程：通過并行執行任務來提高CPU密集型任務的性能，但線程管理復雜可能帶來上下文切換和同步問題。

異步編程與多線程的結合：異步編程通過減少阻塞來提高效率而多線程通過并行執行來加速計算密集型任務，在某些情況下它們可以結合使用：例如異步任務通過線程池線程執行，充分利用多核處理器的計算能力。

異步編程操作

異步等待：如果想在異步方法中暫停一段時間的話，這里可以使用 await Task.Delay()的方式，例如下載一個網址然后等待3秒再下載另一個，注意這里是不能使用Thread.Sleep()方法的，該方法是阻塞線程用的，異步編程并不適用，這里我們演示一下異步等待的效果，如下所示：

class Program
{static async Task Main(string[] args){var input = Console.ReadLine();Console.WriteLine(input);await Task.Delay(3000);Console.WriteLine(input+".net core");}
}

異步取消：在異步編程中CancellationToken是用于取消異步操作的一種機制，它提供了一種優雅的方式來中止正在進行的操作，當用戶操作可能會長時間運行時，例如下載文件、訪問數據庫、調用遠程API等，CancellationToken用于支持任務的取消操作，示例如下：

class Program
{static async Task Main(string[] args){CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();cts.CancelAfter(3000);CancellationToken cToken = cts.Token;await Download1Async("https://www.baidu.com", 100, cToken);}static async Task Download1Async(string url, int n, CancellationToken token){using(HttpClient client = new HttpClient()){for (int i = 0; i < n; i++){string html = await new HttpClient().GetStringAsync(url);Console.WriteLine($"{DateTime.Now}:{html}");if (token.IsCancellationRequested){Console.WriteLine("超時任務取消");break;}}}}
} 

當我們打印數據的時候，請求超過5秒還沒有結束的話我們就手動取消異步操作：

Task類方法：在Task類中有許多方法可以使用，以下是其常用的方法講解：

1）Task.WhenAny()：任何一個Task完成，Task就完成

2）Task.WhenAll()：所有Task完成Task才完成，用于等待多個任務執行結束不在乎順序

3）Task.FromResult()：創建普通數值的Task對象

如下我們可同WhenAll拿到所有文件的數據：

class Program
{static async Task Main(string[] args){Task<string> t1 = File.ReadAllTextAsync(@"d:\test\1.txt");Task<string> t2 = File.ReadAllTextAsync(@"d:\test\2.txt");Task<string> t3 = File.ReadAllTextAsync(@"d:\test\3.txt");string[] result = await Task.WhenAll(t1, t2, t3);} 
}