【C#基础：第五部分 实用编程】异步编程

摘要：本文围绕C#中的异步编程展开，详细介绍了async/await原理、Task并行库、异步流（IAsyncEnumerable）以及取消令牌（CancellationToken）等关键内容。通过丰富的代码示例和详细的实操流程，帮助读者深入理解C#异步编程的概念、原理和应用场景，提升在实际项目中运用异步编程解决问题的能力。

【C#基础：第五部分 实用编程】异步编程

关键词

C#；异步编程；async/await；Task并行库；异步流；取消令牌

一、引言

在现代软件开发中，异步编程已经成为处理I/O密集型和CPU密集型操作的重要手段。传统的同步编程在处理耗时操作时会阻塞线程，导致程序响应变慢，用户体验不佳。而异步编程允许程序在执行耗时操作时不阻塞当前线程，从而可以继续执行其他任务，提高程序的性能和响应能力。C#提供了强大的异步编程支持，包括async/await关键字、Task并行库、异步流和取消令牌等特性，使得开发者能够更加方便地实现异步操作。本文将深入探讨这些异步编程特性，帮助读者掌握C#异步编程的核心知识。

二、async/await原理

2.1 基本概念

async/await是C#中用于简化异步编程的语法糖。async关键字用于修饰方法，表示该方法是一个异步方法。异步方法通常会返回一个Task或Task<T>对象。await关键字只能在async方法内部使用，用于等待一个Task或Task<T>对象完成，并获取其结果。

2.2 工作原理

当调用一个async方法时，方法内部的代码会正常执行，直到遇到await关键字。此时，await会检查关联的Task是否已经完成。如果Task已经完成，await会立即返回Task的结果；如果Task尚未完成，await会暂停当前async方法的执行，并将控制权返回给调用者。当Task完成后，async方法会从await语句处继续执行。

2.3 代码示例

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
   
    static async Task Main()
    {
   
        Console.WriteLine("开始执行异步方法");
        int result = await CalculateAsync();
        Console.WriteLine($"异步方法执行结果: {
     result}");
        Console.WriteLine("主线程继续执行其他任务");
    }

    static async Task<int> CalculateAsync()
    {
   
        Console.WriteLine("异步方法开始执行");
        await Task.Delay(2000); // 模拟耗时操作
        Console.WriteLine("异步方法执行完成");
        return 42;
    }
}

2.4 代码解释

• Main方法被标记为async，并且返回Task。在Main方法中，调用了CalculateAsync方法并使用await关键字等待其结果。
• CalculateAsync方法也是一个异步方法，它返回一个Task<int>对象。在方法内部，使用Task.Delay(2000)模拟一个耗时2秒的操作。

2.5 实操流程

1. 打开Visual Studio，创建一个新的C#控制台应用程序项目。
2. 将上述代码复制到Program.cs文件中。
3. 按下F5键运行程序，观察程序的输出结果，理解async/await的工作原理。

2.6 注意事项

• async方法不一定必须包含await关键字，但如果不包含await，该方法将以同步方式执行。
• await关键字只能在async方法内部使用。

三、Task并行库

3.1 基本概念

Task并行库是.NET框架提供的一个用于并行编程和异步编程的强大工具。Task类表示一个异步操作，可以通过Task.Run方法在后台线程上执行一个操作，也可以使用Task.Factory.StartNew方法创建并启动一个Task。

3.2 创建和启动Task

3.2.1 使用Task.Run

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
   
    static void Main()
    {
   
        Console.WriteLine("主线程开始");
        Task task = Task.Run(() =>
        {
   
            Console.WriteLine("后台任务开始执行");
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
   
                Console.WriteLine($"后台任务: {
     i}");
            }
            Console.WriteLine("后台任务执行完成");
        });

        Console.WriteLine("主线程继续执行其他任务");
        task.Wait(); // 等待任务完成
        Console.WriteLine("主线程结束");
    }
}

3.2.2 使用Task.Factory.StartNew

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
   
    static void Main()
    {
   
        Console.WriteLine("主线程开始");
        Task task = Task.Factory.StartNew(() =>
        {
   
            Console.WriteLine("后台任务开始执行");
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
   
                Console.WriteLine($"后台任务: {
     i}");
            }
            Console.WriteLine("后台任务执行完成");
        });

        Console.WriteLine("主线程继续执行其他任务");
        task.Wait(); // 等待任务完成
        Console.WriteLine("主线程结束");
    }
}

3.3 任务的状态和结果

Task类有多个属性用于表示任务的状态，如IsCompleted、IsFaulted、IsCanceled等。对于返回结果的任务，可以使用Task<T>类，通过Result属性获取任务的结果。

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
   
    static void Main()
    {
   
        Console.WriteLine("主线程开始");
        Task<int> task = Task.Run(() =>
        {
   
            Console.WriteLine("后台任务开始执行");
            int sum = 0;
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
   
                sum += i;
            }
            Console.WriteLine("后台任务执行完成");
            return sum;
        });

        Console.WriteLine("主线程继续执行其他任务");
        int result = task.Result; // 获取任务结果
        Console.WriteLine($"任务结果: {
     result}");
        Console.WriteLine("主线程结束");
    }
}

3.4 任务的组合

可以使用Task.WhenAll和Task.WhenAny方法来组合多个任务。Task.WhenAll方法等待所有任务完成，而Task.WhenAny方法等待任何一个任务完成。

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
   
    static async Task Main()
    {
   
        Console.WriteLine("主线程开始");
        Task<int> task1 = Task.Run(() =>
        {
   
            Console.WriteLine("任务1开始执行");
            Task.Delay(2000).Wait();
            Console.WriteLine("任务1执行完成");
            return 1;
        });

        Task<int> task2 = Task.Run(() =>
        {
   
            Console.WriteLine("任务2开始执行");
            Task.Delay(1000).Wait();
            Console.WriteLine("任务2执行完成");
            return 2;
        });

        // 等待所有任务完成
        int[] results = await Task.WhenAll(task1, task2);
        Console.WriteLine($"任务1结果: {
     results[0]}, 任务2结果: {
     results[1]}");

        // 等待任何一个任务完成
        Task<int> completedTask = await Task.WhenAny(task1, task2);
        Console.WriteLine($"第一个完成的任务结果: {
     completedTask.Result}");

        Console.WriteLine("主线程结束");
    }
}

3.5 实操流程

1. 打开Visual Studio，创建一个新的C#控制台应用程序项目。
2. 将上述代码示例分别复制到Program.cs文件中，依次运行每个示例，观察程序的输出结果，理解Task并行库的使用方法。

3.6 注意事项

• 使用Task.Run和Task.Factory.StartNew时，要注意线程池的使用和资源管理。
• 在使用Task.Result属性时，如果任务尚未完成，会阻塞当前线程，建议使用await关键字异步获取结果。

四、异步流（IAsyncEnumerable）

4.1 基本概念

异步流（IAsyncEnumerable<T>）是.NET Core 3.0引入的一个新特性，用于处理异步生成的序列。与传统的IEnumerable<T>不同，IAsyncEnumerable<T>允许在生成序列元素时进行异步操作，例如从网络或文件中读取数据。

4.2 实现异步流

要实现一个异步流，需要定义一个返回IAsyncEnumerable<T>的方法，并在方法内部使用yield return关键字异步生成元素。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
   
    static async Task Main()
    {
   
        await foreach (int number in GenerateNumbersAsync())
        {
   
            Console.WriteLine(number);
        }
    }

    static async IAsyncEnumerable<int> GenerateNumbersAsync()
    {
   
        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
   
            await Task.Delay(1000); // 模拟异步操作
            yield return i;
        }
    }
}

4.3 异步流的消费

使用await foreach语句来消费异步流中的元素。await foreach会自动等待每个元素的生成，并在元素可用时进行处理。

4.4 实操流程

1. 打开Visual Studio，创建一个新的C#控制台应用程序项目。
2. 将上述代码复制到Program.cs文件中。
3. 按下F5键运行程序，观察程序的输出结果，理解异步流的使用方法。

4.5 注意事项

• 异步流方法必须使用async关键字修饰，并且返回IAsyncEnumerable<T>。
• 在使用await foreach时，要确保在async方法内部使用。

五、取消令牌（CancellationToken）

5.1 基本概念

取消令牌（CancellationToken）用于在异步操作中实现取消功能。当需要取消一个正在执行的异步操作时，可以通过取消令牌向操作发送取消请求，操作可以根据取消令牌的状态来决定是否停止执行。

5.2 使用取消令牌

5.2.1 创建取消令牌源

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
   
    static async Task Main()
    {
   
        CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
        CancellationToken token = cts.Token;

        Task task = LongRunningTaskAsync(token);

        // 模拟一段时间后取消任务
        await Task.Delay(2000);
        cts.Cancel();

        try
        {
   
            await task;
        }
        catch (OperationCanceledException)
        {
   
            Console.WriteLine("任务已取消");
        }
    }

    static async Task LongRunningTaskAsync(CancellationToken token)
    {
   
        try
        {
   
            for (int i =