第二章：C#异步编程简介

第二章：异步编程简介 🚀

目录

• 第二章：异步编程简介 🚀
  • 2.1 异步编程的基本概念 🤔
    • 同步 vs 异步
    • 异步编程的优势 🌟
  • 2.2 C# 中的异步编程模型简介 🛠️
    • 异步编程模型（APM）
    • 基于事件的异步模式（EAP）
    • 基于任务的异步模式（TAP）
      • async 和 await 关键字 🔑
  • 示例代码
    • 基于回调（Callback）异步编程模型（APM） 🧩
      • 回调地狱（Callback Hell）🔥
      • 回调地狱示例
    • 基于事件的异步模式（EAP） 📅
      • 示例代码：WebClient 的 EAP 模式
      • EAP 的问题
    • 基于任务的异步模式（TAP）
      • 使用 async/await 重写回调示例
  • 小结：为什么选择 async/await？ 💡

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异步编程（Asynchronous Programming）是现代编程中处理 I/O 密集型任务的关键技术之一。与传统的同步编程不同，异步编程允许程序在等待耗时操作（如网络请求、文件读写、数据库查询等）完成时，继续执行其他任务，从而提高应用程序的响应性和效率。

在本章中，我们将介绍异步编程的基本概念、C# 中的异步编程模型以及常用的 async 和 await 关键字。我们还会探讨异步编程的一些常见应用场景和最佳实践，帮助你理解如何在实际开发中使用异步编程来提升性能。

2.1 异步编程的基本概念 🤔

同步 vs 异步

• 同步编程 🛑：在同步编程中，任务是顺序执行的。如果某个操作是耗时的（如网络请求），程序会阻塞等待操作完成，之后才会继续执行下一行代码。这种方式简单直观，但在处理 I/O 密集型任务时，可能会导致程序变得不响应。
• 异步编程 🔄：异步编程允许程序在执行耗时操作时，不必等待操作完成，而是立即返回继续执行其他任务。耗时操作完成后，会通过回调、事件或 Task 通知程序结果。这样，程序不会被阻塞，能更好地利用系统资源。

异步编程的优势 🌟

1. 提高性能和吞吐量：异步编程避免了线程的阻塞，使得应用程序可以处理更多的任务。
2. 提升用户体验：对于 GUI 应用程序，异步编程能保持界面的响应性，避免“卡顿”现象。
3. 更好地利用资源：异步编程通常使用线程池来管理后台任务，避免了频繁创建和销毁线程的开销。

2.2 C# 中的异步编程模型简介 🛠️

C# 提供了多种方式来实现异步编程，其中最常用的是基于 Task 和 async/await 的异步编程模型。在此之前，C# 中还有以下异步编程模型：

异步编程模型（APM）

APM（Asynchronous Programming Model） 是 C# 中最早引入的异步编程模式，通常使用 BeginXXX 和 EndXXX 方法来表示异步操作。BeginXXX 方法启动异步操作，而 EndXXX 方法用于获取操作结果。APM 使用 回调 或 IAsyncResult 来处理异步任务的完成。虽然简单，但代码往往难以阅读和维护，容易形成“回调地狱”。

基于事件的异步模式（EAP）

EAP（Event-based Asynchronous Pattern，EAP）是一种较早使用的异步编程模式。它主要用于处理需要长时间运行的操作（例如 I/O 操作），并通过事件通知调用者操作的完成情况。这种模型曾经在 .NET Framework 2.0 和 3.5 中被广泛使用，随着 async/await 引入后，EAP 逐渐被淘汰。

基于任务的异步模式（TAP）

C# 5.0 引入了 Task 和 async/await，这是一种更加现代和简洁的异步编程方式，以同步编码的方式编写异步代码。

async 和 await 关键字 🔑

• async：用于标记一个方法为异步方法。异步方法通常返回 Task 或 Task<T>，表示异步操作的结果。
• await：用于等待一个异步操作的完成，并在操作完成后继续执行后续代码。await 会释放当前线程，让它去处理其他任务，避免了阻塞。

APM和EAP基本已经被淘汰了，在本系列文章后续也不会再过多介绍。详情参考官网

示例代码

基于回调（Callback）异步编程模型（APM） 🧩

回调 是一种简单的异步编程方式，通常通过委托或匿名方法来实现。开发者将一个方法作为参数传递给异步操作，当操作完成时，调用此方法返回结果。

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("开始异步操作...");
        PerformAsyncOperation(ResultCallback);
        Console.WriteLine("主线程继续执行...");

        // 防止程序过早结束
        Thread.Sleep(3000);
    }

    // 模拟异步操作
    static void PerformAsyncOperation(Action<string> callback)
    {
        new Thread(() =>
        {
            Thread.Sleep(2000); // 模拟耗时操作
            callback("操作完成，结果为：42");
        }).Start();
    }

    // 回调方法
    static void ResultCallback(string result)
    {
        Console.WriteLine(result);
    }
}

输出：

开始异步操作...
主线程继续执行...
操作完成，结果为：42

解释：

• PerformAsyncOperation 方法启动了一个新线程，并在操作完成后调用回调方法 ResultCallback。
• 主线程不会被阻塞，能够继续执行其他操作。
• 回调方法用于处理异步操作的结果。

回调地狱（Callback Hell）🔥

回调地狱是指当多个异步操作依次依赖回调时，代码会形成嵌套的结构，导致难以维护和阅读。这种问题在复杂场景中尤为常见。

回调地狱示例

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("开始异步任务链...");
        Step1(result1 =>
        {
            Console.WriteLine(result1);
            Step2(result2 =>
            {
                Console.WriteLine(result2);
                Step3(result3 =>
                {
                    Console.WriteLine(result3);
                    Console.WriteLine("所有步骤完成！");
                });
            });
        });

        // 防止程序过早结束
        Thread.Sleep(5000);
    }

    static void Step1(Action<string> callback)
    {
        new Thread(() => { Thread.Sleep(1000); callback("步骤 1 完成"); }).Start();
    }

    static void Step2(Action<string> callback)
    {
        new Thread(() => { Thread.Sleep(1000); callback("步骤 2 完成"); }).Start();
    }

    static void Step3(Action<string> callback)
    {
        new Thread(() => { Thread.Sleep(1000); callback("步骤 3 完成"); }).Start();
    }
}

输出：

开始异步任务链...
步骤 1 完成
步骤 2 完成
步骤 3 完成
所有步骤完成！

问题：

• 嵌套的回调导致代码呈现“金字塔”结构，难以阅读和维护。
• 异常处理复杂，容易遗漏错误处理逻辑。

基于事件的异步模式（EAP） 📅

EAP 是 C# 中较早的一种异步编程模型，它使用 事件 来通知异步操作的完成状态。EAP 模式通常以 BeginXXX 和 EndXXX 命名方法，或者通过事件处理完成通知。

示例代码：WebClient 的 EAP 模式

using System;
using System.Net;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        using (WebClient client = new WebClient())
        {
            client.DownloadStringCompleted += OnDownloadStringCompleted;
            Console.WriteLine("开始下载数据...");
            client.DownloadStringAsync(new Uri("https://www.example.com"));

            // 防止程序过早结束
            Console.ReadLine();
        }
    }

    // 下载完成时触发的事件处理程序
    static void OnDownloadStringCompleted(object sender, DownloadStringCompletedEventArgs e)
    {
        if (e.Error != null)
        {
            Console.WriteLine($"下载失败：{e.Error.Message}");
            return;
        }

        Console.WriteLine("下载成功，数据长度：" + e.Result.Length);
    }
}

输出：

开始下载数据...
下载成功，数据长度：1270

解释：

• DownloadStringAsync 方法启动异步下载操作。
• 当下载完成后，会触发 DownloadStringCompleted 事件，并调用事件处理程序 OnDownloadStringCompleted。
• e.Result 包含下载的数据结果。

EAP 的问题

• 复杂性：每个异步操作都需要定义事件和处理程序，增加了代码的复杂性。
• 错误处理困难：异常处理需要在事件处理程序中显式检查 Error 属性。
• 可维护性差：对于大量异步操作，代码的结构会变得凌乱。

基于任务的异步模式（TAP）

使用 async/await 重写回调示例

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static async Task Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("开始异步任务链...");
        await Step1();
        await Step2();
        await Step3();
        Console.WriteLine("所有步骤完成！");
    }

    static async Task Step1()
    {
        await Task.Delay(1000);
        Console.WriteLine("步骤 1 完成");
    }

    static async Task Step2()
    {
        await Task.Delay(1000);
        Console.WriteLine("步骤 2 完成");
    }

    static async Task Step3()
    {
        await Task.Delay(1000);
        Console.WriteLine("步骤 3 完成");
    }
}

优势：

• 代码结构更加清晰，不再有深层嵌套。
• 异常处理可以使用标准的 try/catch 块。
• 异步方法的调用和同步方法类似，降低了编写和理解异步代码的难度。

解释：

• GetDataAsync 方法被标记为 async，表示这是一个异步方法。
• await 关键字等待 GetStringAsync 方法完成，而不会阻塞主线程。
• 当网络请求完成后，response 字符串会返回给调用者，程序继续执行。

小结：为什么选择 async/await？ 💡

随着 C# 5.0 引入 async/await 关键字，异步编程变得更加简洁和直观。相比于回调和 EAP 模式，async/await 提供了更高层次的抽象，能够以类似于同步代码的方式编写异步逻辑，极大地提升了代码的可读性和维护性。