C#異步程式設計基礎入門總結

參考網址：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/asynchronous-programming-patterns/

1.前言

*.NET Framework提供了執行異步操作的三種模式：

異步程式設計模型（APM）模式（也稱為IAsyncResult的模式），其中異步操作要求Begin和End方法（例如，BeginWrite和EndWrite異步寫入操作）。這種模式不再被推薦用于新開發。有關更多資訊，請參閱異步程式設計模型（APM）。

基于事件的異步模式（EAP），它需要一個具有Async字尾的方法，并且還需要一個或多個事件，事件處理程式委托類型和被EventArg派生類型。EAP在.NET Framework 2.0中引入。不再推薦新的開發。有關更多資訊，請參閱基于事件的異步模式（EAP）。

基于任務的異步模式（TAP），它使用單一方法來表示異步操作的啟動和完成。TAP在.NET Framework 4中引入，是.NET Framework中推薦的異步程式設計方法。C＃中的async和等待關鍵字，Visual Basic語言中的Async和Await運算符為TAP添加語言支援。有關更多資訊，請參閱基于任務的異步模式（TAP）。*

2.異步的應用場景

在計算機程式的運作中，計算是需要一定的時間的，在運算時間過長的任務時，比如上傳大檔案、讀取檔案流、資料庫操作、httprequest等，如果是同步（synvronous）必須等待該任務執行完成才能繼續下一個任務。使用異步（asynchronous）操作，會開啟新的線程，不會等待異步操作完成才去執行後面的程式，相比異步程式設計優點：1.就是出現長時間處理程式時，不會卡界面，使用者仍然可以操作UI界面2.提高程式運作效率，節約CPU資源，提供系統吞吐量。

3.程序和線程的關系

這個面試的時候基本上都會問到，簡而言之就是：

一個程式都會有一個程序和一個線程，程序是由CPU進行排程配置設定資源的，有一個完整的虛拟位址空間，不依賴線程獨立存在，反之線程是由程序來排程配置設定的，隻是程序的一部分，沒有自己的位址空間，與程序内的其他線程一起共享該程序的所有資源。打個簡單的比方就像是線程就好比是人體的寄生蟲，不能獨立存在，必須依靠人（程序）的營養（資源）來生存（執行）

4.異步和多線程的差別

異步是相對同步而言的，我們知道異步是開啟了新線程，但是和多線程不是一個概念，異步相當于一個人的“大腦”能夠做試卷，又能夠看電影，同時處理兩件以上不同的事情。多線程好比多個人做不同的事情。

異步操作的本質

c#中異步和多線程的差別是什麼呢？異步和多線程兩者都可以達到避免調用線程阻塞的目的，進而提高軟體的可響應性。　所有的程式最終都會由計算機硬體來執行，無須消耗CPU時間的I/O操作正是異步操作的硬體基礎。

線程的本質

線程不是一個計算機硬體的功能，而是作業系統提供的一種邏輯功能，線程本質上是程序中一段并發運作的代碼，是以線程需要作業系統投入CPU資源來運作和排程

異步操作的優缺點

因為異步操作無須額外的線程負擔，并且使用回調的方式進行處理，在設計良好的情況下，處理函數可以不必使用共享變量（即使無法完全不用，最起碼可以減少共享變量的數量），減少了死鎖的可能。當然異步操作也并非完美無暇。編寫異步操作的複雜程度較高，程式主要使用回調方式進行處理，與普通人的思維方式有些出入，而且難以調試。

多線程的優缺點

　　多線程的優點很明顯，線程中的處理程式依然是順序執行，符合普通人的思維習慣，是以程式設計簡單。但是多線程的缺點也同樣明顯，線程的使用（濫用）會給系統帶來上下文切換的額外負擔。并且線程間的共享變量可能造成死鎖的出現。

适用範圍

當需要執行I/O操作時，使用異步操作比使用線程+同步 I/O操作更合适。I/O操作不僅包括了直接的檔案、網絡的讀寫，還包括資料庫操作、Web Service、HttpRequest以及.net Remoting等跨程序的調用。

而線程的适用範圍則是那種需要長時間CPU運算的場合，例如耗時較長的圖形處理和算法執行。但是往往由于使用線程程式設計的簡單和符合習慣，是以很多朋友往往會使用線程來執行耗時較長的I/O操作。這樣在隻有少數幾個并發操作的時候還無傷大雅，如果需要處理大量的并發操作時就不合适了。

5.C#異步方式之一（ BeginInvoke、EndInvoke方法）

方式1：使用回調方法完成異步委托

先來看個例子，委托的異步調用，這個例子首先定義一個string類型的傳回值、string類型的參數的委托。雖然這中模式不推薦被使用。

class

Program

delegate

string

SayHi(

string

name);

//定義委托

static

void

Main(

string

[] args)

SayHi sayhi =

new

SayHi(SayHiName);

//執行個體化委托

sayhi(

"科比"

);

//一般的直接調用

sayhi.Invoke(

"張林"

);

//使用Invoke方法同步調用

//異步調用

sayhi.BeginInvoke(

"杜蘭特"

, (IAsyncResult ar) =>

sayhi.EndInvoke(ar);

Console.WriteLine(

"打招呼成功結束"

);

},

null

);

public

static

string

SayHiName(

string

name)

return

"how are you"

+name +

"?"

前兩種調用委托的方式都是同步的，BeginInvoke方法的傳回值是IAsyncResult類型的

該方法的參數由兩部分組成，前面（n）個參數是委托的參數，倒數第二個參數也表示一個委托，該委托是.net系統定義的委托（和func、action類似），檢視AsyncCallback的定義如圖：

作用就是：作為執行調用的回調方法，值得注意的是，在回調方法中，必須調用EndInvoke方法結束異步調用，EndInvoke是擷取異步調用的結果

上面的例子調試的結果如圖：

方式2：使用輪詢

我們把BeginInvoke的委托參數為null，使用輪詢的方式

Func<

string

string

> func =

delegate

string

name)

Thread.Sleep(2000);

return

"how are you"

+ name +

""

};

IAsyncResult ar = func.BeginInvoke(

"張林"

null

null

);

int

i = 1;

while

(!ar.IsCompleted)

Console.WriteLine(200*i);

i++;

Thread.Sleep(200);

string

result = func.EndInvoke(ar);

Console.WriteLine(result);

結果如圖:

6.C#異步方式之二 await async

async和await是一對關鍵字，它是.net 4.5的特性。在實際工作中使用友善靈活，主要原因就是可以像寫同步方法那樣去異步程式設計，代碼結構清晰，不用關心如何實作異步的程式設計。

這裡其實要注意的是，之前剛說了異步是開啟新的線程來實作的，但是await 和async兩個關鍵字并沒有開啟新的線程，為了證明這一點，下面建了一個winform的程式，異步擷取圖檔并顯示到picturebox上。

public

Form1()

InitializeComponent();

this

.label1.Text =

"主線程Id："

+Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;

private

async

void

button1_Click(

object

sender, EventArgs e)

string

imageUrl =

"https://ss0.baidu.com/6ONWsjip0QIZ8tyhnq/it/u=3850265187,1181041963&fm=173&s=62E19A4722716A371EB097FB03009015&w=218&h=146&img.JPEG"

HttpClient client =

new

HttpClient();

var

response =await  client.GetAsync(imageUrl);

if

(response.StatusCode == System.Net.HttpStatusCode.OK)

var

stream =await response.Content.ReadAsStreamAsync();

Image  image = Bitmap.FromStream(stream,

true

);

this

.label2.Text =

"線程Id："

+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;

this

.pictureBox1.BackgroundImage = image;

其實不用看圖就已經知道答案了，程式運作時不報異常，就已經說明一點：await async兩個關鍵根本建立新的線程。這個涉及到異步更新UI到主線程，就不多說了。

結果如圖：

async await方法的使用說明：

傳回類型： void 、Task、Task<泛型類型>
async、await不會建立新的線程，實作等待的效果，必須同時使用
使用該方法的方法主體也要用async關鍵字

異步方法事例：

private

static

async Task<

int

> GetValueAsync(

int

a)

//Task.run 開啟了新的線程

await  Task.Run(() =>

Thread.Sleep(2000);

//模拟耗時

Console.WriteLine(

"GetValueAsync方法結束,線程ID:"

+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

return

a * a;

});

Console.WriteLine(

"線程ID:"

+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId+

"異步方法結束"

);

return

a * a;

調用異步方法：

private

async

void

button1_Click(

object

sender, EventArgs e)

int

result =await GetValueAsync(5);

this

.label1.Text =

"異步計算的結果"

+ result +

"線程ID："

+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;

}<br>

7.C#異步方式之三淺談Task

　　前面剛剛了解到async await是.net 4.5出的特性，Task是.net4.0新出的特性，用來處理異步程式設計的，其實我們要知道真正實作的異步操作還是Task新增線程來實作的，但是不代表說開一個Task，就開一個線程，有可能是幾個Task在一個線程上運作的，他們并不是一一對應的關系，充分利用線程，下面的事例就已經能夠說明這一點

Task建立

Task建立有兩種方式一種通過任務工廠指派立即運作，一種是直接執行個體化。下面這個例子建立了10個Task

static

void

Main(

string

[] args)

//啟用線程池中的線程異步執行

Task t1 = Task.Factory.StartNew(() =>

Console.WriteLine(

"Task1啟動...線程ID："

+Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

});

Task t2 = Task.Factory.StartNew(() =>

Console.WriteLine(

"Task2啟動...線程ID："

+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

});

//new 執行個體化啟動

Task t3 =

new

Task(() =>

Console.WriteLine(

"Task3啟動...線程ID："

+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

});

t3.Start();

Task t4 = Task.Factory.StartNew(() =>

Console.WriteLine(

"Task4啟動...線程ID："

+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

});

Task t5 = Task.Factory.StartNew(() =>

Console.WriteLine(

"Task5啟動...線程ID："

+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

});

Task t6 = Task.Factory.StartNew(() =>

Console.WriteLine(

"Task6啟動...線程ID："

+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

});

Task t7 = Task.Factory.StartNew(() =>

Console.WriteLine(

"Task7啟動...線程ID："

+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

});

Task t8 = Task.Factory.StartNew(() =>

Console.WriteLine(

"Task8啟動...線程ID："

+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

});

Task t9 = Task.Factory.StartNew(() =>

Console.WriteLine(

"Task9啟動...線程ID："

+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

});

Task t10 = Task.Factory.StartNew(() =>

Console.WriteLine(

"Task10啟動...線程ID："

+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

});

Console.ReadLine();

建立的10個Task，我們從結果中也證明了Task和線程并不是一一對應的關系，結果如圖：

Task構造函數

Task狀态

我們建立一個task，調用他的Start、Wait方法

static

void

Main(

string

[] args)

var

task =

new

Task(()=> {

Console.WriteLine(

"Task建立成功"

);

});

Console.WriteLine(

"task未開始："

+task.Status);

task.Start();

Console.WriteLine(

"task已經開始："

+task.Status);

task.Wait();

Console.WriteLine(

"task已經等待："

+task.Status);

我們從圖中可以知道，Task的生命周期如下:

Created:在已經執行個體化未Start之前的狀态

WaittingToRun:表示等待配置設定線程給Task執行

RanToCompletion：任務執行完畢

Task等待任務結果

1.Task.WaitAll從這個字面意思就知道等待所有任務執行完成，和上面例子Wait方法等待一個任務執行完成很相似，我們來看一個代碼：

var

task1 =

new

Task(() =>

System.Threading.Thread.Sleep(3000);

Console.WriteLine(

"task1Created"

);

});

var

task2 =

new

Task(() =>

System.Threading.Thread.Sleep(3000);

Console.WriteLine(

"task2Created"

);

});

task1.Start();

task2.Start();

Task.WaitAll(task1, task2);

Console.WriteLine(

"所有任務執行完!"

);

Console.Read();

結果輸出:

task1Created

task2Created

所有任務執行完

除了WaitAll方法還有這些常用的方法

Task.WaitAny:等待任何一個任務向下執行
Task.ContinueWith等待第一個Task完成自動啟動，觸發下一個Task，也就是當做任務完成時觸發的回調方法
Task.GetAwaiter().OnCompleted(Action action) :GetAwaiter 方法擷取任務的等待者，調用OnCompleted事件，任務完成時觸發

Task任務取消

static

void

Main(

string

[] args)

var

source =

new

CancellationTokenSource();

var

token = source.Token;

Task t1 = Task.Run(() =>

Thread.Sleep(2000);

if

(token.IsCancellationRequested)

Console.WriteLine(

"任務已取消"

);

Thread.Sleep(1000);

},token);

Console.WriteLine(t1.Status);

//取消任務

source.Cancel();

Console.WriteLine(t1.Status);

Console.ReadLine();