了解 C# 中的 async 和 await

1.async和await

在C#中，async和await是用于处理异步操作的关键字。

• async: 用于定义一个方法是异步的。当一个方法被声明为async时，它可以包含await表达式，并且其返回类型通常是Task或Task。
• await: 用于暂停异步方法的执行，等待异步操作的完成。在使用await关键字时，其后面的表达式通常是一个返回Task或Task的方法调用，或者其他符合异步编程模型的对象。

以下是一个简单的示例：

using System;
using System.Net.Http;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static async Task Main()
    {
        string url = "https://api.example.com/data";
        string data = await GetDataAsync(url);
        Console.WriteLine(data);
    }
    static async Task<string> GetDataAsync(string url)
    {
        using (var client = new HttpClient())
        {
            HttpResponseMessage response = await client.GetAsync(url);
            response.EnsureSuccessStatusCode();
            return await response.Content.ReadAsStringAsync();
        }
    }
}

在这个示例中，Main方法是异步的，它调用了GetDataAsync方法并使用await等待异步操作的完成。GetDataAsync方法也是异步的，它使用HttpClient来进行异步HTTP请求，并使用await等待响应结果。

2.使用async流

在 C# 中，可以使用 async 和 await 关键字来创建异步流。通过 async/await 可以编写具有顺序执行和清晰逻辑的异步代码。
下面是一个简单的示例，演示了如何在 C# 中使用 async 和 await 创建异步流：

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static async Task Main()
    {
        Console.WriteLine("Start");
        await FetchData();
        Console.WriteLine("Data fetched");
        await ProcessData();
        Console.WriteLine("Data processed");
        Console.WriteLine("Async flow completed");
    }
    static async Task FetchData()
    {
        await Task.Delay(1000); // 模拟异步操作
    }
    static async Task ProcessData()
    {
        await Task.Delay(500); // 模拟异步操作
    }
}

在这个示例中，Main 方法是一个异步方法，它按顺序调用了 FetchData 和 ProcessData 方法，并使用 await 来等待它们完成。整个程序通过 async/await 得到了清晰的流程控制，使得异步操作的处理逻辑更加直观和易于理解。

3.错误处理

在异步操作中，有效的错误处理对于确保应用程序的稳定性和可靠性至关重要。以下是如何在C#中处理异步操作中的错误：

捕获异常： 在异步方法中使用try-catch块来捕获异常，并根据需要处理异常情况。如果异步方法内发生异常，该异常将被封装在Task对象中。

static async Task SomeMethod()
{
    try
    {
        // 异步操作
    }
    catch(Exception ex)
    {
        Console.WriteLine($"An error occurred: {ex.Message}");
    }
}

向上传递异常： 当在异步方法内部捕获异常后，有时需要将异常向上传递给调用者。可以使用throw语句将异常重新抛出。

static async Task<int> DivideAsync(int x, int y)
{
    try
    {
        return x / y;
    }
    catch(DivideByZeroException ex)
    {
        throw new InvalidOperationException("Divide by zero error", ex);
    }
}

AggregateException： 当同时等待多个任务完成时，可能会遇到多个异常情况。这时可以使用AggregateException来包装多个异常，以便一次性处理。

static async Task DoMultipleOperationsAsync()
{
    try
    {
        await Task.WhenAll(Operation1Async(), Operation2Async());
    }
    catch(AggregateException ex)
    {
        foreach(var innerEx in ex.InnerExceptions)
        {
            // 处理每个内部异常
        }
    }
}

通过以上方式，可以有效地处理异步操作中可能发生的异常情况，确保应用程序的健壮性。

4.取消异步操作

在异步环境中，有时候需要取消正在进行的异步操作以提高性能或避免不必要的计算。以下是在C#中取消异步操作的示例：

使用CancellationToken： 使用CancellationToken来通知异步操作应该取消。异步方法应接受一个CancellationToken参数，并在合适的地方检查IsCancellationRequested属性。

static async Task LongRunningOperationAsync(CancellationToken cancellationToken)
{
    while(!cancellationToken.IsCancellationRequested)
    {
        // 执行长时间运行的操作
    }
}

取消Token联结： 可以将多个CancellationToken链接在一起，从而实现同时取消多个异步操作。

static async Task MultipleOperationsAsync(CancellationToken token)
{
    CancellationTokenSource cts = CancellationTokenSource.CreateLinkedTokenSource(token);
    await Task.WhenAll(Operation1Async(cts.Token), Operation2Async(cts.Token));
}

取消任务： 使用Task的Cancel方法来取消尚未开始执行的异步操作。

var cts = new CancellationTokenSource();
cts.Cancel(); // 取消任务

5.并行性

在异步编程中，利用并行执行多个异步操作可以提高程序的性能和效率。以下是在C#中实现并行性的示例：

Task.WhenAll： 使用Task.WhenAll方法可以同时等待多个任务完成，而无需阻塞主线程。

static async Task MultipleOperationsAsync()
{
    Task task1 = Operation1Async();
    Task task2 = Operation2Async();
    await Task.WhenAll(task1, task2);
    // 所有任务都已完成
}

Task.WhenAny： 使用Task.WhenAny方法可以等待任意一个任务完成。

static async Task AnyOperationCompletesAsync()
{
    Task completedTask = await Task.WhenAny(LongOperation1Async(), LongOperation2Async());

    // 处理第一个完成的任务
}

Parallel.ForEach： 使用Parallel.ForEach可以实现并行迭代集合内的元素。

static void ProcessItemsInParallel(List<int> items)
{
    Parallel.ForEach(items, item =>
    {
        // 处理每个元素
    });
}

通过以上方式，可以很方便地实现并行执行多个异步操作，从而提高应用程序的性能和效率。

6.异步初始化

有时候需要在异步环境中进行一些初始化工作，例如从数据库或远程服务器加载配置数据。以下是如何在C#中实现异步初始化的示例：

在构造函数中使用async：虽然不能直接在构造函数中定义异步方法，但可以在构造函数中调用异步方法来进行初始化。

public class DataService
{
    public DataService()
    {
        InitializeAsync().Wait();  // 使用Wait()同步等待初始化完成
    }

    private async Task InitializeAsync()
    {
        // 异步初始化操作
    }
}

使用静态初始化方法：可以定义一个静态方法来执行异步初始化，并确保在使用该类之前调用该方法。

public class DataService
{
    private static bool _initialized = false;

    public static async Task InitializeAsync()
    {
        if (!_initialized)
        {
            // 异步初始化操作
            _initialized = true;
        }
    }
}

通过以上方式，可以在异步环境中有效地进行初始化工作，确保应用程序在开始执行其他操作之前完成必要的准备工作。

7.异步事件处理

在异步编程中，如何处理事件是一个重要的问题。在C#中，可以使用async和await来处理异步事件，避免在异步方法中阻塞事件循环。

异步事件处理： 定义一个异步事件处理方法，并使用await来等待异步操作的完成。

public async void Button_Click(object sender, EventArgs e)
{
    await DoSomethingAsync();
    // 在异步操作完成后执行后续逻辑
}

事件包装器： 有时候为了将同步事件包装成异步方法，可以使用TaskCompletionSource来实现。

public event EventHandler<EventArgs> MyEvent;
public Task MyEventAsync()
{
    var tcs = new TaskCompletionSource<object>();
    MyEvent += (sender, args) =>
    {
        // 执行异步操作
        tcs.SetResult(null);
    };
    return tcs.Task;
}

通过以上方式，可以在异步环境中处理事件，并确保异步方法不会阻塞事件循环。

希望以上关于异步编程的示例和解释对你有所帮助。异步操作在现代软件开发中起着重要作用，通过合理地利用async/await、错误处理、取消操作、并行性、异步初始化和异步事件处理等技术，可以编写出高效、可靠的异步代码。如果你有任何其他问题或需要进一步的帮助，请随时告诉我。祝你编写出优秀的异步代码！