11-C#.Net-多线程-Async-Await篇-学习笔记

一、async/await 基础1.1 什么是async/await定义C# 5.0 (.NET 4.5) 引入的语法糖C# 7.1 开始Main入口也可以使用C# 8.0 支持异步流(await foreach)和异步释放(await using)什么是语法糖由编译器提供的便捷功能底层实现不变但写代码更简洁类似的语法糖var、表达式树、属性的get/set、字符串插值$1.2 基本用法规则// 1. async单独使用会警告没有实际作用 public async void Method1() // 警告 { Console.WriteLine(没有await); } // 2. await必须在async方法内使用 public void Method2() { await Task.Delay(1000); // 编译错误 } // 3. async await 配套使用 public async Task Method3() { await Task.Delay(1000); // 正确 }返回值规则// 无返回值返回Task(推荐)或void public async Task NoReturnAsync() { await Task.Delay(1000); // 默认返回Task } public async void NoReturnVoid() { await Task.Delay(1000); // 不推荐无法await或Wait } // 有返回值返回TaskT public async Taskint GetValueAsync() { await Task.Delay(1000); return 123; // 实际返回Taskint }为什么推荐Task而不是voidTask可以使用await、Wait、WhenAny、WhenAll等方法组合void无法组合使用Task可以捕获异常void不行二、async/await的核心价值2.1 解决的问题问题既要有顺序又要不阻塞// 同步方法有顺序但阻塞 public void SyncMethod() { Console.WriteLine(步骤1); Thread.Sleep(1000); // 阻塞 Console.WriteLine(步骤2); Thread.Sleep(1000); // 阻塞 Console.WriteLine(步骤3); } // 多线程不阻塞但无顺序 public void TaskMethod() { Task.Run(() { Console.WriteLine(步骤1); Thread.Sleep(1000); }); Task.Run(() { Console.WriteLine(步骤2); Thread.Sleep(1000); }); Task.Run(() { Console.WriteLine(步骤3); Thread.Sleep(1000); }); // 输出顺序不确定 } // async/await有顺序不阻塞 public async Task AsyncMethod() { await Task.Run(() { Console.WriteLine(步骤1); Thread.Sleep(1000); }); await Task.Run(() { Console.WriteLine(步骤2); Thread.Sleep(1000); }); await Task.Run(() { Console.WriteLine(步骤3); Thread.Sleep(1000); }); // 按顺序输出步骤1 - 步骤2 - 步骤3 }2.2 核心理念以同步编程的方式来写异步代码代码看起来像同步实际是异步执行降低编程难度保持代码可读性三、await的执行机制3.1 执行流程public async Task TestAsync() { Console.WriteLine($主线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); // 1. 遇到await主线程立即返回(不阻塞) await Task.Run(() { Console.WriteLine($子线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); Thread.Sleep(3000); Console.WriteLine(子线程完成); }); // 2. await后的代码由线程池的线程执行 Console.WriteLine($await后线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); Console.WriteLine(继续执行); }关键点主线程遇到 await 就返回不等待(非阻塞)await 后的代码会在 Task 完成后继续执行await 后的代码可能由子线程、主线程或其他线程执行一个典型的执行顺序示例能直观说明 await 的非阻塞特性public static void Show() { Console.WriteLine($start 线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); // ① 主线程 Async(); // 调用异步方法 Console.WriteLine($aaa 线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); // ③ 主线程继续不等待 } public static async void Async() { Console.WriteLine($ddd 线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); // ② 还是主线程 await Task.Run(() { Thread.Sleep(500); Console.WriteLine($bbb 线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); // ④ 子线程 }); Console.WriteLine($ccc 线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); // ⑤ await后线程池线程 }实际输出顺序start → ddd → aaa → bbb → ccc⚠️ 注意aaa在bbb之前输出——主线程遇到 await 后立即返回继续执行子线程的工作和主线程是并发的。3.2 与ContinueWith的对比async/await 出现之前控制多个异步操作的顺序只能靠ContinueWith链式回调代码可读性很差// 老写法ContinueWith 链式调用控制顺序嵌套深、难维护 Taskint task taskFactory.StartNewint(() { Thread.Sleep(3000); return 123; }).ContinueWith(c { Thread.Sleep(3000); return 234; }).ContinueWith(t { Thread.Sleep(3000); return 345; });用 await 改写后代码结构和同步方法一样直观// 新写法await 顺序执行清晰易读 public async Task UseAwait() { await Task.Run(() { Thread.Sleep(3000); Console.WriteLine(步骤1); }); await Task.Run(() { Thread.Sleep(3000); Console.WriteLine(步骤2); }); await Task.Run(() { Thread.Sleep(3000); Console.WriteLine(步骤3); }); }await 的优势代码更简洁可读性更好写法像同步代码实际是异步执行自动处理异常传播不需要手动在每个 ContinueWith 里 try-catch四、带返回值的async方法4.1 基本用法public async Tasklong SumAsync() { Console.WriteLine($开始计算线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); long result 0; // 第一个计算 await Task.Run(() { Console.WriteLine($计算1线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); for (long i 0; i 999_999_999; i) { result i; } }); Console.WriteLine($计算1完成线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); // 第二个计算 await Task.Run(() { Console.WriteLine($计算2线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); for (long i 0; i 999_999_999; i) { result i; } }); Console.WriteLine($计算2完成线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); return result; // 自动包装成Tasklong }4.2 调用方式// 方式1await(推荐不阻塞) public async Task CallAsync() { long result await SumAsync(); Console.WriteLine($结果: {result}); } // 方式2Result(不推荐阻塞) public void CallSync() { long result SumAsync().Result; // 阻塞相当于同步 Console.WriteLine($结果: {result}); } // 方式3Wait(不推荐阻塞) public void CallWait() { Tasklong task SumAsync(); task.Wait(); // 阻塞 long result task.Result; Console.WriteLine($结果: {result}); }注意访问Result或Wait会阻塞失去async/await的意义推荐使用await保持异步特性五、async/await的底层实现5.1 状态机IL代码分析// C#代码 public async Task SimpleMethod() { await Task.Delay(1000); Console.WriteLine(完成); } // 编译后生成状态机(简化版) private struct StateMachine { public int state; public AsyncTaskMethodBuilder builder; public void MoveNext() { try { switch (state) { case 0: // 执行await之前的代码 var awaiter Task.Delay(1000).GetAwaiter(); if (!awaiter.IsCompleted) { state 1; // 等待完成 return; } goto case 1; case 1: // 执行await之后的代码 Console.WriteLine(完成); state -2; break; } } catch (Exception ex) { state -2; builder.SetException(ex); } builder.SetResult(); } }状态机执行流程实例化状态机将状态机交给builder执行整理线程上下文调用MoveNext()方法根据状态执行不同分支异常时状态重置为-2完成时调用SetResult()5.2 状态机的价值类比红绿灯红灯停止绿灯行驶黄灯减速状态机一个对象在不同状态下执行不同行为await将方法分割成多个状态每个状态对应一个await六、性能对比6.1 文件读取对比// 1. Async版本(推荐) private async Taskbyte[] ReadAsync(string path) { Console.WriteLine($ReadAsync开始线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); var result await File.ReadAllBytesAsync(path); // 读取文件时没有开启新线程 // 主线程告诉系统要做什么然后就返回了 // 降低了线程开启数量降低了CPU负荷 Console.WriteLine($ReadAsync结束线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); return result; } // 2. Task版本 private Taskbyte[] ReadTask(string path) { Console.WriteLine($ReadTask开始线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); var result Task.Run(() { Console.WriteLine($ReadTask执行线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); return File.ReadAllBytes(path); }); // 铁定开启新线程 Console.WriteLine($ReadTask结束线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); return result; } // 3. Sync版本 private byte[] ReadSync(string path) { Console.WriteLine($ReadSync开始线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); var result File.ReadAllBytes(path); Console.WriteLine($ReadSync结束线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}); return result; }性能测试结果20次读取大文件 - Async: 约3000ms - Task: 约3500ms - Sync: 约6000ms6.2 Web请求对比// 1. Async版本(推荐) private async Taskstring WebAsync(string url) { HttpWebRequest request HttpWebRequest.Create(url) as HttpWebRequest; // 使用异步版本的API using (HttpWebResponse response await request.GetResponseAsync() as HttpWebResponse) { StreamReader sr new StreamReader(response.GetResponseStream()); return await sr.ReadToEndAsync(); // 异步读取 } } // 2. Task版本 private Taskstring WebTask(string url) { return Task.Run(() { return InvokeWebRequest(url); // 同步方法包装 }); } // 3. Sync版本 private string WebSync(string url) { return InvokeWebRequest(url); }性能测试结果10次Web请求(每次5秒) - Async: 约5秒(并发) - Task: 约5秒(并发) - Sync: 约50秒(串行)6.3 CPU密集型计算对比// 1. Async版本 private async Tasklong CalculationAsync(long total) { return await Task.Run(() { long result 0; for (long i 0; i total; i) { result i; } return result; }); } // 2. Task版本 private Tasklong CalculationTask(long total) { return Task.Run(() { long result 0; for (long i 0; i total; i) { result i; } return result; }); } // 3. Sync版本 private long CalculationSync(long total) { long result 0; for (long i 0; i total; i) { result i; } return result; }性能测试结果10次计算(每次10亿次循环) - Task: 约8秒 - Async: 约8秒 - Sync: 约80秒结论CPU密集型Async和Task性能相同都需要开启线程IO密集型Async性能更好不需要额外线程七、适用场景7.1 适合使用async/await的场景1. IO密集型操作(推荐)// 文件操作 await File.ReadAllBytesAsync(path); await File.WriteAllTextAsync(path, content); // 数据库操作 await connection.OpenAsync(); await command.ExecuteNonQueryAsync(); // Web请求 await httpClient.GetStringAsync(url); // Redis操作 await redis.StringGetAsync(key);2. 与第三方交互(非托管资源)数据库查询Redis缓存Web API调用文件读写7.2 不适合使用async/await的场景1. CPU密集型计算(不推荐)// 不推荐async/await对CPU密集型无优势 public async Tasklong CalculateAsync() { return await Task.Run(() { // 大量计算 long result 0; for (long i 0; i 1_000_000_000; i) { result i; } return result; }); } // 推荐直接使用Task public Tasklong CalculateTask() { return Task.Run(() { long result 0; for (long i 0; i 1_000_000_000; i) { result i; } return result; }); }2. 本地计算(托管资源)内存中的数据处理算法计算数据转换八、不同框架中的应用8.1 ASP.NET Core(推荐使用)[HttpGet] public async TaskIActionResult GetDataAsync() { var data await _service.GetDataAsync(); return Ok(data); }优势不阻塞线程池线程提高服务器并发能力可以处理更多请求8.2 控制台应用(可以使用)// C# 7.1 static async Task Main(string[] args) { await DoWorkAsync(); }8.3 WinForms(需要注意)private async void btnClick_Click(object sender, EventArgs e) { // 不阻塞UI线程 var result await GetDataAsync(); // await后的代码在UI线程执行可以直接更新UI lblResult.Text result; }注意事项事件处理器可以使用async voidawait后的代码会回到UI线程可以直接更新UI控件8.4 WPF(类似WinForms)private async void Button_Click(object sender, RoutedEventArgs e) { var result await GetDataAsync(); TextBlock.Text result; }九、C# 8.0 新特性9.1 异步流(await foreach)// 生成异步序列 public async IAsyncEnumerableint GenerateSequence() { for (int i 0; i 20; i) { await Task.Delay(100); yield return i; } } // 消费异步序列 private async Task ConsumeAsync() { await foreach (var i in GenerateSequence()) { Console.WriteLine($接收到: {i}); } }9.2 异步释放(await using)await using (var resource new AsyncDisposableResource()) { // 使用资源 } // 自动调用DisposeAsync()十、最佳实践10.1 命名规范// 异步方法以Async结尾 public async Taskstring GetDataAsync() { return await _repository.QueryAsync(); }10.2 避免async void// 错误无法捕获异常无法await public async void BadMethodAsync() { await Task.Delay(1000); } // 正确返回Task public async Task GoodMethodAsync() { await Task.Delay(1000); } // 例外事件处理器可以使用async void private async void Button_Click(object sender, EventArgs e) { await DoWorkAsync(); }10.3 避免阻塞// 错误阻塞 var result GetDataAsync().Result; // 错误阻塞 GetDataAsync().Wait(); // 正确异步等待 var result await GetDataAsync();10.4 ConfigureAwait// 库代码中使用避免捕获上下文 var result await GetDataAsync().ConfigureAwait(false); // UI代码中不使用需要回到UI线程 var result await GetDataAsync();十一、小结async/await 是语法糖底层是状态机实现核心价值以同步方式写异步降低编程难度适用场景IO 密集型操作(文件、网络、数据库)不适用场景CPU 密集型计算性能提升提高吞吐量不是降低单个请求时间避免阻塞不要使用 Result 或 Wait命名规范异步方法以 Async 结尾返回类型优先使用 Task避免 void