C#开发基础之I/O 异步和多线程异步：本质上的区别与使用场景

2024-08-23 22:52
文章标签 c# 基础 使用 开发 多线程 场景 区别 异步 .net netcore 本质

本文主要是介绍C#开发基础之I/O 异步和多线程异步：本质上的区别与使用场景，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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前言

在桌面软件开发中，异步编程是一种至关重要的技巧，尤其是在需要提高应用程序响应性和并发处理能力时。常见的异步编程模式主要包括 I/O 异步和多线程异步，这两者虽然都实现了非阻塞操作，但在本质上有着显著的区别。理解它们的区别有助于开发者在不同场景下做出更为合适的设计选择。

1. I/O 异步的本质

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I/O 异步 是指利用操作系统提供的异步 I/O 支持，来执行文件读写、网络请求等 I/O 操作，而不占用应用程序的线程资源。

  • 工作原理：当发起 I/O 操作时，操作系统会将操作委托给底层的硬件或系统服务处理，并立即返回给应用程序。应用程序通过 await 等机制等待操作完成，但期间不会阻塞线程。

  • 性能优势：由于 I/O 异步操作无需占用应用程序的线程资源，它能够更高效地处理大量并发的 I/O 请求，尤其是在需要等待外部资源（如网络、磁盘）的响应时，I/O 异步能够显著减少线程的空闲等待时间。

  • 适用场景：

    • 文件读写：如读取或写入大文件时，可以通过 FileStream.WriteAsync 或 FileStream.ReadAsync 来实现异步文件操作。
    • 网络通信：如处理 HTTP 请求或数据库查询时，利用 HttpClient.SendAsync 或 SqlCommand.ExecuteReaderAsync 可以避免网络延迟导致的线程阻塞。

代码示例：

using System;
using System.IO;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;class Program
{static async Task Main(string[] args){string filePath = "example.txt";byte[] data = Encoding.UTF8.GetBytes("Hello, I/O Async!");using (FileStream fs = new FileStream(filePath, FileMode.Create, FileAccess.Write, FileShare.None, bufferSize: 4096, useAsync: true)){await fs.WriteAsync(data, 0, data.Length);Console.WriteLine("Data written to file using I/O Async.");}}
}

在这个示例中，文件写入操作是异步进行的，线程不会在等待 I/O 操作完成时被阻塞。
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2. 多线程异步的本质

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多线程异步 是通过在多个线程中并行执行任务来实现异步操作的。这种方式通常使用 Task.Run 等方法，将任务提交给线程池运行。

  • 工作原理：当你调用 Task.Run 时，CLR 会从线程池中分配一个线程来执行传递给它的任务。任务完成后，线程将被释放或返回线程池供其他任务使用。

  • 性能特点：多线程异步适合处理需要占用大量计算资源的任务，尤其是 CPU 密集型任务。然而，由于依赖线程池的线程资源，线程的创建、调度和销毁可能带来一定的性能开销，尤其是在高并发场景中。

  • 适用场景：

    • 计算密集型任务：如复杂算法计算、图像处理、数据分析等需要大量 CPU 资源的任务。
    • 后台处理：需要在后台执行的非 I/O 操作任务，如日志记录、数据备份等。

代码示例：

多线程异步计算质数的数量，这个示例程序通过 Task.Run 将一个计算质数数量的任务放在后台线程中执行，避免阻塞主线程。

using System;
using System.Threading.Tasks;class Program
{static async Task Main(string[] args){int start = 2;int end = 1000000;Console.WriteLine("Starting prime number calculation...");// 使用 Task.Run 在后台线程中执行计算int primeCount = await Task.Run(() => CountPrimes(start, end));Console.WriteLine($"Number of prime numbers between {start} and {end}: {primeCount}");}static int CountPrimes(int start, int end){int count = 0;for (int i = start; i <= end; i++){if (IsPrime(i)){count++;}}return count;}static bool IsPrime(int number){if (number < 2) return false;for (int i = 2; i <= Math.Sqrt(number); i++){if (number % i == 0) return false;}return true;}
}

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在这个示例中，是计算某个范围内（例如 2 到 1,000,000）质数的数量。这是一项计算密集型任务，因为它需要逐个检查每个数字是否为质数。我们使用 Task.Run 将计算质数的任务交给后台线程执行，而主线程则可以继续处理其他任务或保持响应。CountPrimes 方法会遍历指定范围内的所有数字，使用 IsPrime 方法判断每个数字是否为质数，然后统计质数的数量。通过 await Task.Run(…)，主线程等待计算完成后输出结果，但在等待期间不会阻塞其他操作。

3. I/O 异步与多线程异步的对比

  • 资源利用：

    • I/O 异步：利用操作系统的异步 I/O 支持，不占用应用程序的线程资源。
    • 多线程异步：占用线程池资源，适合 CPU 密集型任务，但可能面临线程争用和上下文切换的开销。

  • 性能与扩展性：

    • I/O 异步：更适合处理大量并发的 I/O 操作，避免线程阻塞，提高系统的并发能力。
    • 多线程异步：适合并行处理计算任务，但需要注意线程资源的开销。

  • 适用场景：

    • I/O 异步：文件读写、网络通信、数据库查询等 I/O 密集型任务。
    • 多线程异步：复杂计算、数据处理、后台处理等 CPU 密集型任务。

4. 提问：异步写入数据库适合使用哪种方案？

思考3秒钟。。。
你想到了吗？异步写入数据库通常适合使用I/O 异步方案，而不建议使用多线程异步方案。

1. I/O 异步的优势

数据库操作本质上是 I/O 密集型任务，涉及网络请求和磁盘 I/O 操作。当你执行数据库查询、插入、更新或删除操作时，应用程序需要等待数据库服务器的响应。这种等待时间可以通过 I/O 异步方式处理，使得线程不必在等待过程中被阻塞，从而更有效地利用系统资源。

2. 如何使用 I/O 异步写入数据库

在 .NET 中，常见的数据库访问库如 Entity Framework Core 和 Dapper 都提供了异步方法来执行数据库操作。这些方法通常以 Async 结尾，如 SaveChangesAsync()、ExecuteAsync()、QueryAsync() 等。

示例：使用 Entity Framework Core 的 I/O 异步写入数据库

using System;
using System.Threading.Tasks;
using Microsoft.EntityFrameworkCore;class Program
{static async Task Main(string[] args){using (var context = new MyDbContext()){var newRecord = new MyEntity { Name = "New Record", CreatedDate = DateTime.Now };context.MyEntities.Add(newRecord);// 异步保存更改到数据库await context.SaveChangesAsync();Console.WriteLine("Record added to the database asynchronously.");}}
}public class MyDbContext : DbContext
{public DbSet<MyEntity> MyEntities { get; set; }protected override void OnConfiguring(DbContextOptionsBuilder optionsBuilder){optionsBuilder.UseSqlServer("YourConnectionStringHere");}
}public class MyEntity
{public int Id { get; set; }public string Name { get; set; }public DateTime CreatedDate { get; set; }
}

3. 不建议使用多线程异步的原因

  • 高并发场景：当需要处理大量并发的数据库写入操作时，使用 I/O 异步可以避免线程阻塞，从而提升系统的并发处理能力。
  • 后台服务：在后台任务或 Web API 中，需要对数据库进行大量写操作时，I/O 异步方法能确保服务器资源得到更好的利用，避免线程长时间等待数据库响应。
  • 线程资源浪费：多线程异步通过线程池中的线程来处理任务，如果用它来执行数据库写入操作，线程在等待数据库响应时会被阻塞，导致线程资源浪费。
  • 性能问题：在高并发情况下，大量线程同时等待数据库响应可能会导致线程池耗尽，降低应用程序的性能和响应性。

5. 提问：异步处理对导入的excel数据进行逐行校验，适合使用哪种方案？

思考3秒钟。。。
你想到了吗？从 Excel 导入的数据并进行批量校验通常适合使用多线程异步方案，而不建议使用 I/O 异步方案。

1. 多线程异步的优势

多线程异步非常适合用于处理从 Excel 文件导入的数据进行批量校验的场景。通过合理利用多线程，可以显著提高数据处理速度，尤其是在面对大量数据时。确保任务合理调度与线程安全性，将使得整个数据导入与校验过程更加高效和可靠。

2. 如何使用多线程异步

假设我们需要从 Excel 文件中导入数据并逐行进行校验，这个场景可以很好地利用多线程异步来加速校验过程。

示例：多线程异步校验 Excel 数据

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Data;
using System.IO;
using System.Linq;
using System.Threading.Tasks;
using OfficeOpenXml; // 需要安装 EPPlus NuGet 包class Program
{static async Task Main(string[] args){var data = LoadExcelData("data.xlsx");Console.WriteLine("Starting data validation...");// 使用多线程异步方式并行校验数据var validationTasks = data.Select(row => Task.Run(() => ValidateRow(row))).ToArray();// 等待所有校验任务完成var validationResults = await Task.WhenAll(validationTasks);// 处理校验结果var invalidRows = validationResults.Where(result => !result.IsValid).ToList();Console.WriteLine($"Data validation completed. Invalid rows: {invalidRows.Count}");}static List<string[]> LoadExcelData(string filePath){var rows = new List<string[]>();// 使用 EPPlus 从 Excel 文件中加载数据using (var package = new ExcelPackage(new FileInfo(filePath))){ExcelWorksheet worksheet = package.Workbook.Worksheets[0];int rowCount = worksheet.Dimension.Rows;for (int row = 2; row <= rowCount; row++) // 假设第一行为表头{var rowData = new string[worksheet.Dimension.Columns];for (int col = 1; col <= worksheet.Dimension.Columns; col++){rowData[col - 1] = worksheet.Cells[row, col].Text;}rows.Add(rowData);}}return rows;}static ValidationResult ValidateRow(string[] row){// 模拟数据校验逻辑，如检查数据格式是否正确bool isValid = row.Length > 0 && !string.IsNullOrWhiteSpace(row[0]) && row[2].Contains("@");return new ValidationResult { IsValid = isValid, RowData = row };}
}class ValidationResult
{public bool IsValid { get; set; }public string[] RowData { get; set; }
}

程序从一个 Excel 文件中导入数据，然后对每一行数据进行校验。校验逻辑可以根据具体业务需求设定，例如检查邮箱地址的格式、必填字段是否为空等。每一行的校验任务被分配到一个独立的线程中，通过 Task.Run 实现并行处理。这样可以在处理大量数据时显著提高效率。示例中使用了 EPPlus 库来读取 Excel 文件内容，这是一个非常流行且功能强大的 .NET 库，用于处理 Excel 文件。程序将所有校验失败的行记录下来，方便进一步处理或报告。

3. 建议使用场景

  • 批量数据导入与校验：如导入客户信息、订单数据、库存数据等，需要对每一行数据进行校验的场景。
  • 高并发数据处理：在处理大量 Excel 数据时，多线程可以显著提升处理速度。

5. 最佳实践

  • I/O 操作优先使用 I/O 异步：在处理文件、网络、数据库等 I/O 操作时，应优先选择使用 I/O 异步方法，如 FileStream.WriteAsync、HttpClient.SendAsync 等，避免浪费线程资源。

  • 计算密集型任务使用多线程异步：对于需要大量计算的任务，可以使用 Task.Run 将其放到后台线程执行，避免阻塞主线程，从而保持 UI 响应性或处理其他任务。

  • 避免滥用 Task.Run：虽然 Task.Run 是一种便捷的异步实现方式，但滥用可能导致线程池资源枯竭，尤其是在高并发环境下。应根据任务的性质选择最合适的异步方法。建议根据任务的复杂度和系统资源合理调度任务，避免一次性创建过多的并发任务

  • 对于简单的任务或轻量级的计算，不建议使用 Task.Run，可以直接在主线程中处理。

总结

理解 I/O 异步与多线程异步的本质区别，有助于开发者在不同场景中选择最合适的异步编程模型。I/O 异步更适合处理 I/O 密集型任务，而多线程异步则适合处理 CPU 密集型任务。合理地选择与应用这两种异步方式，可以显著提升应用程序的性能与响应性。

参考稳定

  • 异步文件 I/O
  • 对CPU密集型任务使用并行性，对I/O密集型任务使用 async/await

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