C#异步和多线程的理解

合集 - C#/.Net基础(8)

1.C#异步和多线程的理解2024-11-06

2.C#的IDisposable 接口和析构函数2024-11-073.C# 中的 IntPtr2024-11-084..NET 中的虚拟内存2024-11-115..NET 公共语言运行时（Common Language Runtime，CLR）2024-11-126.JIT和AOT介绍2024-11-137.C++和C#的 Native AOT区别2024-12-128.C#中的浮点型传统舍入和银行家舍入01-08

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1. 异步编程（Asynchronous Programming）

异步编程是通过非阻塞方式执行任务，通常适用于I/O 密集型任务，例如文件读写、网络请求、数据库访问等。这类操作不需要占用大量 CPU 资源，而是等待外部资源（如网络或硬盘）响应。

在 C# 中，异步编程使用 async 和 await 关键字来实现。异步方法会返回 Task 或 Task<T>，调用 await 后，主线程可以继续执行其他代码，不会被阻塞。异步任务完成后，程序会回到 await 的位置继续执行。

异步代码示例

以下是一个使用异步编程的示例：

using System;
using System.Net.Http;
using System.Threading.Tasks;
 
class Program
{
    static async Task Main()
    {
        Console.WriteLine("Starting download...");
        string content = await DownloadContentAsync("https://example.com");
        Console.WriteLine("Download completed!");
        Console.WriteLine($"Content length: {content.Length}");
    }
 
    static async Task<string> DownloadContentAsync(string url)
    {
        using HttpClient client = new HttpClient();
        // 异步地开始下载内容
        string content = await client.GetStringAsync(url);
        return content;
    }
}

在这个例子中，DownloadContentAsync 是一个异步方法。调用 await DownloadContentAsync(...) 后，Main 方法不会被阻塞，它会释放 CPU，等到下载完成后再继续执行。这种非阻塞模式适合 I/O 密集型任务。
这里该怎么理解，为什么不会阻塞，举个实际业务的例子，就是微信支付的接口并不马上返回支付结果，这就是没有阻塞线程，线程继续做其他事情，支付结果通过回调接口通知；那么如果不是异步会是什么样的，那就是一直等待微信支付的接口响应，这个时候线程就被阻塞了。异步可以理解成回调，进一步说.Net程序向操作系统读取文件，访问网络，什么时候读到了文件，什么时候网络有了响应再回调给.Net程序，.Net程序再启用线程池的线程继续完成回调后的任务，这也是异步后线程id会改变的原因。

2. 多线程编程（Multithreading Programming）

多线程编程是通过在多个线程上并行执行任务，适用于CPU 密集型任务，如复杂计算、数据处理等。这类操作需要充分利用 CPU 的多核心能力来同时处理多个任务。

在 C# 中，多线程编程可以通过 Thread、ThreadPool、Task 等类实现。与异步不同，多线程会创建多个线程来执行不同的任务，这样多个任务可以并发运行。

多线程代码示例

以下是一个使用多线程的示例：

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
 
class Program
{
    static void Main()
    {
        Console.WriteLine("Starting CPU-intensive tasks...");
 
        // 启动两个并行任务
        Task task1 = Task.Run(() => PerformCpuIntensiveTask("Task 1"));
        Task task2 = Task.Run(() => PerformCpuIntensiveTask("Task 2"));
 
        // 等待任务完成
        Task.WaitAll(task1, task2);
 
        Console.WriteLine("All tasks completed.");
    }
 
    static void PerformCpuIntensiveTask(string taskName)
    {
        Console.WriteLine($"{taskName} started.");
        for (int i = 0; i < 1000000000; i++)
        {
            // 模拟计算任务
            double x = Math.Sqrt(i);
        }
        Console.WriteLine($"{taskName} completed.");
    }
}

在这个例子中，Task.Run 会在 ThreadPool 中创建并启动新的线程来执行 PerformCpuIntensiveTask，这样 Task 1 和 Task 2 就可以并行执行，提高了 CPU 使用效率。
其实无论是时阻塞的耗时还是复杂计算的耗时，这两个都是耗时，但是这两个又有很大区别，阻塞的耗时可以通过回调，释放当前线程来解决阻塞的问题，但是复杂计算的耗时核回调就没有关系了。举个具体点的例子，要计算一个天文级别的数字，一个人要10天，但是你发现这些数子是可以拆开来分给不同的人计算，最后把结果加起来就行了。这种情况下使用多线程处理计算任务，然后把结果加起来，减少了耗时，同时也提高了cpu的使用率。

总结

• 异步主要用于非阻塞 I/O 操作，让程序在等待 I/O 时释放资源，适合 I/O 密集型任务。适用于串行任务，不提升单次耗时，但是对整个程序来说可以提示吞吐量。
• 多线程用于让多个任务并行执行，充分利用 CPU 核心资源，适合 CPU 密集型任务。之前的单次任务可以拆分给不同任务执行的话可以提升耗时，通过消耗硬件资源实现并行或者并发提升效率。