C#异步和多线程,Thread,Task和async/await关键字--12

目录

一.多线程和异步的区别

1.多线程

2.异步编程

多线程和异步的区别

二.Thread,Task和async/await关键字的区别

1.Thread

2.Task

3.async/await

三.Thread,Task和async/await关键字的详细对比

1.Thread和Task的详细对比

2.Task 与 async/await 的配合使用

3. async/await 的实际应用场景

4.关键区别总结

引言:在 C# 编程中,多线程和异步编程都是用于提高应用程序性能和响应性的技术,但它们的用途和实现方式有所不同

一.多线程和异步的区别

1.多线程

定义:

  • 多线程是指在一个应用程序中同时运行多个线程,每个线程都独立执行代码.这些线程可能在多个处理器核心上并行运行,也可能在单个核心上通过时间片轮转方式运行

特性:

  • 并行执行：多个线程可以并行执行任务,提高 CPU 利用率,适用于 CPU 密集型任务
  • 共享内存空间：同一进程中的线程共享内存空间,可以方便地共享数据,但也需要处理同步问题
  • 线程管理：需要开发者手动管理线程的创建,启动,同步和销毁

使用场景:

  • 需要并行处理多个 CPU 密集型任务,以充分利用多核 CPU 的能力
  • 需要在后台执行复杂计算,同时保持应用程序的响应性

2.异步编程

定义:

  • 异步编程是一种编程范式，允许程序在等待长时间运行的操作（如 I/O、网络请求）完成时,不阻塞当前线程，从而提高应用程序的响应性和效率

特性:

  • 非阻塞：异步操作不会阻塞线程,当前线程可以继续执行其他任务
  • 事件驱动：通过回调,事件或任务的方式在操作完成时通知应用程序
  • 适用于 I/O 密集型任务：特别是磁盘,网络等 I/O 操作,这些操作等待时间长,CPU 利用率低

使用场景:

  • 防止界面卡顿：在 GUI 应用程序中,防止长时间的操作阻塞 UI 线程,保持界面响应性
  • 服务器高并发：在服务器应用中,异步操作可以处理大量并发 I/O 请求,提高吞吐量

多线程和异步的区别

// 多线程示例
public void ThreadMethod()
{
    // 创建新线程
    Thread thread = new Thread(() =>
    {
        // 这段代码在新线程上运行
        DoSomeWork();
    });
    thread.Start();
}

// 异步示例
public async Task AsyncMethod()
{
    // 不会创建新线程，而是在当前线程上异步执行
    await Task.Run(() =>
    {
        DoSomeWork();
    });
}
  • 目的不同：多线程主要用于并行执行 CPU 密集型任务,异步编程主要用于非阻塞地执行 I/O 密集型任务
  • 实现方式：多线程通过创建和管理线程实现并行,异步编程通过非阻塞的操作和回调机制实现,不一定需要多线程
  • 资源利用：多线程可能会创建大量线程,占用系统资源;异步编程通常使用回调或任务,不需要额外的线程 
    // 多线程示例 - CPU密集型计算
public void ThreadExample()
{
    Thread calculateThread = new Thread(() =>
    {
        // 复杂计算
        for (int i = 0; i < 1000000; i++)
        {
            // 进行大量计算
        }
    });
    calculateThread.Start();
}

// 异步示例 - I/O操作
public async Task AsyncExample()
{
    // 读取文件
    string content = await File.ReadAllTextAsync("file.txt");
    // 发送网络请求
    var response = await httpClient.GetAsync("http://api.example.com");
}

二.Thread,Task和async/await关键字的区别

1.Thread

定义:

  • System.Threading.Thread 类表示 .NET 中的一个线程,可以用来手动创建,控制和管理线程

特性:

  • 直接映射到操作系统线程：每个 Thread 实例对应一个操作系统线程
  • 手动管理：需要手动创建,启动和销毁线程,以及处理线程同步问题
  • 开销较大：创建和销毁线程的开销较大,过多的线程可能导致系统性能下降

使用场景:

  • 需要对线程有精细的控制,比如设置线程优先级,堆栈大小,文化信息等
  • 特定场景下需要手动管理线程的生命周期

示例代码:

    // 创建第一个线程
    Thread thread1 = new Thread(() =>
    {
        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            Console.WriteLine($"线程1正在执行: {i}");
            Thread.Sleep(2000); // 暂停2秒
        }
    });

    // 创建第二个线程
    Thread thread2 = new Thread(new ThreadStart(Thread2Method));

    // 启动线程
    Console.WriteLine("开始执行线程...");
    thread1.Start();
    thread2.Start();

    // 等待线程结束
    //Join方法用于等待线程结束，即等待线程中的代码执行完毕。
    thread1.Join();
    thread2.Join();

    Console.WriteLine("所有线程执行完毕!");
    Console.ReadKey();
}

// 第二个线程要执行的方法
static void Thread2Method()
{
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        Console.WriteLine($"线程2正在执行: {i}");
        Thread.Sleep(800); // 暂停0.8秒
    }
}

2.Task

定义:

  • System.Threading.Tasks.Task 类代表一个异步操作,可以理解为更高级别的异步编程抽象

特性:

  • 基于任务的异步模式（TAP）：使用任务来表示异步操作,可以更方便地组合,链接和处理任务
  • 线程池：Task 默认会使用线程池中的线程，而不是创建新的线程，从而减少开销
  • 支持结果值：Task<TResult> 可以返回计算结果
  • 与 async/await 协同工作：Task 可以与 async/await 关键字配合使用,简化异步编程

使用场景:

  • 执行异步操作，无需手动管理线程。
  • 需要组合多个异步操作，或处理异步操作的结果。 
     static async Task Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("开始任务示例...");

            // 1. 基本的异步任务
            await SimpleTaskAsync();

            // 2. 带返回值的任务
            int result = await CalculateAsync();
            Console.WriteLine($"计算结果: {result}");

            // 3. 并行任务
            await ParallelTasksAsync();

            // 4. 任务超时处理
            await TaskWithTimeoutAsync();

            Console.WriteLine("所有任务完成！");
            Console.ReadKey();
        }

        // 基本异步任务
        static async Task SimpleTaskAsync()
        {
            Console.WriteLine("开始简单任务");
            await Task.Delay(1000); // 模拟耗时操作
            Console.WriteLine("简单任务完成");
        }

        // 带返回值的异步任务
        static async Task<int> CalculateAsync()
        {
            Console.WriteLine("开始计算");
            await Task.Delay(2000); // 模拟复杂计算
            return 42;
        }

        // 并行任务示例
        static async Task ParallelTasksAsync()
        {
            Console.WriteLine("开始并行任务");
            
            var task1 = Task.Run(async () =>
            {
                await Task.Delay(1000);
                Console.WriteLine("任务1完成");
            });

            var task2 = Task.Run(async () =>
            {
                await Task.Delay(2000);
                Console.WriteLine("任务2完成");
            });

            // 等待所有任务完成
            await Task.WhenAll(task1, task2);
            Console.WriteLine("所有并行任务完成");
        }

        // 带超时的任务
        static async Task TaskWithTimeoutAsync()
        {
            Console.WriteLine("开始超时任务");
            
            try
            {
                using var cts = new CancellationTokenSource(TimeSpan.FromSeconds(2));
                await Task.Delay(3000, cts.Token); // 这个任务会超时
                Console.WriteLine("此行不会执行");
            }
            catch (TaskCanceledException)
            {
                Console.WriteLine("任务已超时");
            }
        }

3.async/await

定义:async/await是 C# 中用于简化异步编程的关键字

特性:

  • async 方法:使用 async 修饰的方法表示其内部可能包含异步操作,可以使用 await 关键字
  • await 关键字：用于等待一个异步任务完成,而不会阻塞当前线程
  • 编译器支持：编译器会将 async 方法转换为状态机,处理异步操作的调度

使用场景:

  • 希望以同步的方式编写异步代码，提高代码的可读性和维护性。
  • 在 GUI 或服务器应用中，防止长时间的操作阻塞线程。

三.Thread,Task和async/await关键字的详细对比

1.Thread和Task的详细对比

// Thread 示例
Thread thread = new Thread(() =>
{
    Console.WriteLine("使用 Thread 执行工作");
    Thread.Sleep(1000);
});
thread.Start();

// Task 示例
Task task = Task.Run(() =>
{
    Console.WriteLine("使用 Task 执行工作");
    Thread.Sleep(1000);
});

主要区别:

Thread:

  • 直接映射到操作系统线程
  • 资源开销大
  • 无法直接返回结果
  • 不易于管理和组合

Task:

  • 使用线程池
  • 可以返回结果
  • 支持取消、延续、异常处理
  • 易于组合和管理

2.Task 与 async/await 的配合使用

// Task 单独使用
public Task<int> GetDataAsync()
{
    return Task.Run(() => 
    {
        // 执行一些耗时操作
        Thread.Sleep(1000);
        return 42;
    });
}

// 使用 async/await
public async Task<int> GetDataAsyncWithAwait()
{
    Console.WriteLine("开始");
    await Task.Delay(1000); // 异步等待
    Console.WriteLine("结束");
    return 42;
}

3. async/await 的实际应用场景

// 文件操作示例
public async Task SaveFileAsync(string content)
{
    Console.WriteLine("开始保存文件");
    await File.WriteAllTextAsync("test.txt", content);
    Console.WriteLine("文件保存完成");
}

// 多个异步操作组合
public async Task ProcessDataAsync()
{
    try
    {
        // 并行执行多个异步操作
        var task1 = Task.Delay(1000);
        var task2 = Task.Delay(2000);
        
        await Task.WhenAll(task1, task2);
        
        // 串行执行异步操作
        var result1 = await GetDataAsync();
        var result2 = await ProcessResultAsync(result1);
    }
    catch (Exception ex)
    {
        Console.WriteLine($"错误: {ex.Message}");
    }
}

4.关键区别总结

1)执行模型:

  • Thread: 一个线程执行一个任务
  • Task: 可以使用线程池，更灵活
  • async/await: 不创建新线程，而是管理异步操作

2)资源使用:

  • Thread: 每个线程占用约1MB内存
  • Task: 更轻量级，共享线程池
  • async/await: 几乎没有额外开销

3)使用场景:

  • Thread: 需要直接控制线程时
  • Task: 执行后台操作，需要返回结果时
  • async/await: IO操作，网络请求等不需要CPU计算的操作

4)代码可维护性:

  • Thread: 较难管理和维护
  • Task: 提供更好的控制和组合
  • async/await: 提供最清晰的代码结构

在实际的开发中优先使用 async/await 处理异步操作,需要并行计算时使用 Task,只在特殊情况下使用 Thread

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