C# 异步编程场景

news2024/9/20 0:00:42

前言

异步编程允许程序在等待某些操作（如文件读写、网络请求等）完成时，不必阻塞主线程，从而可以继续执行其他任务。这种非阻塞的特性对于提高应用程序的并发性和响应速度至关重要。C# 通过 async 和 await 关键字，以及 Task 类，为异步编程提供了简洁而强大的支持。

本文将深入探讨 C# 中的异步编程场景，包括其基本概念、工作原理以及如何在实际开发中应用异步编程技术。我们将通过实例演示如何利用 C# 的异步特性来编写高效、响应迅速的应用程序，同时也会讨论在异步编程中可能遇到的一些常见问题及其解决方案。

如果需要 I/O 绑定（例如从网络请求数据、访问数据库或读取和写入到文件系统），则需要利用异步编程。还可以使用 CPU 绑定代码（例如执行成本高昂的计算），对编写异步代码而言，这是一个不错的方案。

C# 拥有语言级别的异步编程模型，让你能轻松编写异步代码，而无需应付回调或受限于支持异步的库。它遵循基于任务的异步模式 (TAP)。

异步模型概述

异步编程的核心是 Task 和 Task<T> 对象，这两个对象对异步操作建模。它们受关键字 async 和 await 的支持。在大多数情况下模型十分简单：

对于 I/O 绑定代码，等待一个在 async 方法中返回 Task 或 Task<T> 的操作。
对于 CPU 绑定代码，等待一个使用 Task.Run 方法在后台线程启动的操作。

await 关键字有这奇妙的作用。它控制执行 await 的方法的调用方，且它最终允许 UI 具有响应性或服务具有灵活性。虽然有方法可处理 async 和 await 以外的异步代码，但本文重点介绍语言级构造。

备注

在以下一些示例中，System.Net.Http.HttpClient 类用于从 Web 服务下载某些数据。这些示例中使用的 s_httpClient 对象是 Program 类的静态字段（请检查完整示例）：

private static readonly HttpClient s_httpClient = new();

I/O 绑定示例：从 Web 服务下载数据

你可能需要在按下按钮时从 Web 服务下载某些数据，但不希望阻止 UI 线程。可执行如下操作来实现：

C#复制

s_downloadButton.Clicked += async (o, e) =>
{
    // This line will yield control to the UI as the request
    // from the web service is happening.
    //
    // The UI thread is now free to perform other work.
    var stringData = await s_httpClient.GetStringAsync(URL);
    DoSomethingWithData(stringData);
};

代码表示目的（异步下载数据），而不会在与 Task 对象的交互中停滞。

CPU 绑定示例：为游戏执行计算

假设你正在编写一个移动游戏，在该游戏中，按下某个按钮将会对屏幕中的许多敌人造成伤害。执行伤害计算的开销可能极大，而且在 UI 线程中执行计算有可能使游戏在计算执行过程中暂停！

此问题的最佳解决方法是启动一个后台线程，它使用 Task.Run 执行工作，并使用 await 等待其结果。这可确保在执行工作时 UI 能流畅运行。

static DamageResult CalculateDamageDone()
{
    return new DamageResult()
    {
        // Code omitted:
        //
        // Does an expensive calculation and returns
        // the result of that calculation.
    };
}

s_calculateButton.Clicked += async (o, e) =>
{
    // This line will yield control to the UI while CalculateDamageDone()
    // performs its work. The UI thread is free to perform other work.
    var damageResult = await Task.Run(() => CalculateDamageDone());
    DisplayDamage(damageResult);
};

此代码清楚地表达了按钮的单击事件的目的，它无需手动管理后台线程，而是通过非阻止性的方式来实现。