第二章：異步編程簡介 ??

異步編程（Asynchronous Programming）是現代編程中處理 I/O 密集型任務的關鍵技術之一。與傳統(tǒng)的同步編程不同，異步編程允許程序在等待耗時操作（如網絡請求、文件讀寫、數據庫查詢等）完成時，繼續(xù)執(zhí)行其他任務，從而提高應用程序的響應性和效率。

在本章中，我們將介紹異步編程的基本概念、C# 中的異步編程模型以及常用的 async 和 await 關鍵字。我們還會探討異步編程的一些常見應用場景和最佳實踐，幫助你理解如何在實際開發(fā)中使用異步編程來提升性能。

2.1 異步編程的基本概念 ??

同步 vs 異步

• 同步編程 ??：在同步編程中，任務是順序執(zhí)行的。如果某個操作是耗時的（如網絡請求），程序會阻塞等待操作完成，之后才會繼續(xù)執(zhí)行下一行代碼。這種方式簡單直觀，但在處理 I/O 密集型任務時，可能會導致程序變得不響應。
• 異步編程 ??：異步編程允許程序在執(zhí)行耗時操作時，不必等待操作完成，而是立即返回繼續(xù)執(zhí)行其他任務。耗時操作完成后，會通過回調、事件或 Task 通知程序結果。這樣，程序不會被阻塞，能更好地利用系統(tǒng)資源。

異步編程的優(yōu)勢 ??

1. 提高性能和吞吐量：異步編程避免了線程的阻塞，使得應用程序可以處理更多的任務。
2. 提升用戶體驗：對于 GUI 應用程序，異步編程能保持界面的響應性，避免“卡頓”現象。
3. 更好地利用資源：異步編程通常使用線程池來管理后臺任務，避免了頻繁創(chuàng)建和銷毀線程的開銷。

2.2 C# 中的異步編程模型簡介 ???

C# 提供了多種方式來實現異步編程，其中最常用的是基于 Task 和 async/await 的異步編程模型。在此之前，C# 中還有以下異步編程模型：

異步編程模型（APM）

APM（Asynchronous Programming Model） 是 C# 中最早引入的異步編程模式，通常使用 BeginXXX 和 EndXXX 方法來表示異步操作。BeginXXX 方法啟動異步操作，而 EndXXX 方法用于獲取操作結果。APM 使用 回調 或 IAsyncResult 來處理異步任務的完成。雖然簡單，但代碼往往難以閱讀和維護，容易形成“回調地獄”。

基于事件的異步模式（EAP）

EAP（Event-based Asynchronous Pattern，EAP）是一種較早使用的異步編程模式。它主要用于處理需要長時間運行的操作（例如 I/O 操作），并通過事件通知調用者操作的完成情況。這種模型曾經在 .NET Framework 2.0 和 3.5 中被廣泛使用，隨著 async/await 引入后，EAP 逐漸被淘汰。

基于任務的異步模式（TAP）

C# 5.0 引入了 Task 和 async/await，這是一種更加現代和簡潔的異步編程方式，以同步編碼的方式編寫異步代碼。

async 和 await 關鍵字 ??

• async：用于標記一個方法為異步方法。異步方法通常返回 Task 或 Task<T>，表示異步操作的結果。
• await：用于等待一個異步操作的完成，并在操作完成后繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)代碼。await 會釋放當前線程，讓它去處理其他任務，避免了阻塞。

APM和EAP基本已經被淘汰了，在本系列文章后續(xù)也不會再過多介紹。詳情參考官網

示例代碼

基于回調（Callback）異步編程模型（APM） ??

回調 是一種簡單的異步編程方式，通常通過委托或匿名方法來實現。開發(fā)者將一個方法作為參數傳遞給異步操作，當操作完成時，調用此方法返回結果。

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("開始異步操作...");
        PerformAsyncOperation(ResultCallback);
        Console.WriteLine("主線程繼續(xù)執(zhí)行...");

        // 防止程序過早結束
        Thread.Sleep(3000);
    }

    // 模擬異步操作
    static void PerformAsyncOperation(Action<string> callback)
    {
        new Thread(() =>
        {
            Thread.Sleep(2000); // 模擬耗時操作
            callback("操作完成，結果為：42");
        }).Start();
    }

    // 回調方法
    static void ResultCallback(string result)
    {
        Console.WriteLine(result);
    }
}

輸出：

開始異步操作...
主線程繼續(xù)執(zhí)行...
操作完成，結果為：42

解釋：

• PerformAsyncOperation 方法啟動了一個新線程，并在操作完成后調用回調方法 ResultCallback。
• 主線程不會被阻塞，能夠繼續(xù)執(zhí)行其他操作。
• 回調方法用于處理異步操作的結果。

回調地獄（Callback Hell）??

回調地獄是指當多個異步操作依次依賴回調時，代碼會形成嵌套的結構，導致難以維護和閱讀。這種問題在復雜場景中尤為常見。

回調地獄示例

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("開始異步任務鏈...");
        Step1(result1 =>
        {
            Console.WriteLine(result1);
            Step2(result2 =>
            {
                Console.WriteLine(result2);
                Step3(result3 =>
                {
                    Console.WriteLine(result3);
                    Console.WriteLine("所有步驟完成！");
                });
            });
        });

        // 防止程序過早結束
        Thread.Sleep(5000);
    }

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

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

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

輸出：

開始異步任務鏈...
步驟 1 完成
步驟 2 完成
步驟 3 完成
所有步驟完成！

問題：

• 嵌套的回調導致代碼呈現“金字塔”結構，難以閱讀和維護。
• 異常處理復雜，容易遺漏錯誤處理邏輯。

基于事件的異步模式（EAP） ??

EAP 是 C# 中較早的一種異步編程模型，它使用 事件 來通知異步操作的完成狀態(tài)。EAP 模式通常以 BeginXXX 和 EndXXX 命名方法，或者通過事件處理完成通知。

示例代碼：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("開始下載數據...");
            client.DownloadStringAsync(new Uri("https://www.example.com"));

            // 防止程序過早結束
            Console.ReadLine();
        }
    }

    // 下載完成時觸發(fā)的事件處理程序
    static void OnDownloadStringCompleted(object sender, DownloadStringCompletedEventArgs e)
    {
        if (e.Error != null)
        {
            Console.WriteLine($"下載失敗：{e.Error.Message}");
            return;
        }

        Console.WriteLine("下載成功，數據長度：" + e.Result.Length);
    }
}

輸出：

開始下載數據...
下載成功，數據長度：1270

解釋：

• DownloadStringAsync 方法啟動異步下載操作。
• 當下載完成后，會觸發(fā) DownloadStringCompleted 事件，并調用事件處理程序 OnDownloadStringCompleted。
• e.Result 包含下載的數據結果。

EAP 的問題

• 復雜性：每個異步操作都需要定義事件和處理程序，增加了代碼的復雜性。
• 錯誤處理困難：異常處理需要在事件處理程序中顯式檢查 Error 屬性。
• 可維護性差：對于大量異步操作，代碼的結構會變得凌亂。

基于任務的異步模式（TAP）

使用 async/await 重寫回調示例

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static async Task Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("開始異步任務鏈...");
        await Step1();
        await Step2();
        await Step3();
        Console.WriteLine("所有步驟完成！");
    }

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

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

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

優(yōu)勢：

• 代碼結構更加清晰，不再有深層嵌套。
• 異常處理可以使用標準的 try/catch 塊。
• 異步方法的調用和同步方法類似，降低了編寫和理解異步代碼的難度。

解釋：

• GetDataAsync 方法被標記為 async，表示這是一個異步方法。
• await 關鍵字等待 GetStringAsync 方法完成，而不會阻塞主線程。
• 當網絡請求完成后，response 字符串會返回給調用者，程序繼續(xù)執(zhí)行。

小結：為什么選擇 async/await？ ??

隨著 C# 5.0 引入 async/await 關鍵字，異步編程變得更加簡潔和直觀。相比于回調和 EAP 模式，async/await 提供了更高層次的抽象，能夠以類似于同步代碼的方式編寫異步邏輯，極大地提升了代碼的可讀性和維護性。