【C#异步编程与.NET Core】：升级策略与新特性大揭秘

# 1. C#异步编程与.NET Core简介

## 引言

欢迎进入C#异步编程的世界，在这里，我们将探索如何利用.NET Core的强大功能，打造响应迅速、资源高效的应用程序。本章将为您简要介绍异步编程的核心概念以及.NET Core的基础知识。

## C#异步编程的历史

从最初支持回调的简单异步方法，到引入`async`和`await`关键字，C#的异步编程模型已经经历了多次演变。在.NET Core的推动下，异步编程变得更加易于编写和维护。

## .NET Core概述

.NET Core是一个开源的、跨平台的.NET实现。它为开发者提供了构建现代应用程序所需的全部功能，无论是云服务、IoT设备还是移动应用。

在此章节，我们了解了C#异步编程的基础，以及.NET Core环境的概览。接下来，我们将深入探讨C#中异步编程模型的理论基础，以及如何在.NET Core中有效运用这些技术。

# 2. 深入理解C#中的异步编程模型

## 2.1 异步编程的理论基础

### 2.1.1 异步与同步编程的区别

在传统同步编程模式中，代码的执行按照顺序一条接一条地进行，每个任务的完成必须等待前一个任务结束后才能开始。这种模式简单直观，但是当涉及到I/O操作，比如读取文件、网络请求等，CPU会因为等待I/O操作完成而处于空闲状态，造成资源的浪费。

而异步编程模式允许任务在等待I/O操作或其他长时间运行操作完成时，不阻塞当前线程的执行。在这种模式下，程序可以在后台处理耗时任务，同时继续执行其他代码，提高程序的响应性和性能。

异步编程相较于同步编程，能够更好地利用系统资源，减少阻塞和等待时间，特别适用于I/O密集型和高并发的场景，如Web服务器和用户界面应用程序。

### 2.1.2 异步编程的优点和适用场景

异步编程主要有以下优点：

- **提高响应性**：异步操作允许UI线程或其他主要任务线程继续执行，而不需要等待长时间的操作完成，从而提高了应用程序的响应性。
- **提高吞吐量**：在多核处理器上，异步编程能够利用额外的核心来并行执行多个操作，增加单位时间内的工作量。
- **减少资源消耗**：异步操作可以让线程在等待期间被释放去处理其他任务，而不是一直占用线程资源。

适用场景包括但不限于：

- **网络通信**：进行网络请求时，使用异步操作可以避免UI界面冻结。
- **文件I/O**：文件读写操作通常是耗时的，异步操作可以释放线程资源，用于其他处理。
- **服务器应用**：在服务器应用中，异步处理可以同时处理多个客户端的请求。

## 2.2 C#中的异步编程关键字

### 2.2.1 async和await关键字的工作原理

C#中的`async`和`await`关键字极大地简化了异步编程的复杂性。`async`修饰的方法会自动成为异步方法，返回`Task`或`Task<T>`类型的结果。而`await`用于等待异步操作完成，它可以让编译器将代码拆分为多个状态机状态，以便在等待时释放线程。

关键点在于：

- `async`关键字声明一个方法是异步的，通常会配合`await`使用来等待异步任务的完成。
- `await`关键字用于异步方法中，暂停方法的执行直到等待的任务完成。在`await`之后的代码会在任务完成后继续执行，且执行在同一个线程上，或根据上下文在合适的线程上执行。

public async Task DoSomethingAsync()
{
    // 执行一些异步操作并等待它完成
    var result = await SomeLongRunningOperationAsync();
    // 继续执行其他操作
    DoSomeAdditionalWork(result);
}

在上述代码中，`SomeLongRunningOperationAsync`可能是一个异步方法，返回`Task<T>`。`DoSomethingAsync`方法使用`await`等待这个任务完成，然后处理结果。

### 2.2.2 异步方法的返回类型和任务对象

异步方法通常返回`Task`、`Task<T>`或者`void`。`Task`表示不返回任何值的异步操作，而`Task<T>`表示返回特定类型值的异步操作。

- **返回`Task`或`Task<T>`**：这种方式允许调用者使用`.Result`或`.GetAwaiter().GetResult()`来同步获取结果，但这会阻塞线程直到结果可用，因此不推荐用于UI线程或高并发服务中。更好的做法是使用`await`，因为它不会阻塞当前线程。
- **返回`void`**：通常用在事件处理器中。但是，因为`async void`无法被`await`，所以它导致了一些限制，比如无法处理异常和无法返回值。这也意味着调用者无法等待这个操作完成。

public async Task<int> GetResultAsync()
{
    // 模拟一些长时间的操作
    await Task.Delay(1000);
    return 42; // 返回一个整数结果
}

## 2.3 异步编程中的常见模式

### 2.3.1 使用async void的方法设计

虽然在异步方法中推荐使用返回`Task`或`Task<T>`，但有些情况下还是需要用到`async void`，尤其是事件处理器，因为事件订阅通常需要方法签名匹配，事件处理器要求方法签名是`void`。

要安全地使用`async void`，应当避免在异步方法内部抛出未处理的异常，因为这些异常不会被`try/catch`块捕获。因此，当设计为`async void`的方法时，应当在方法内部处理所有可能的异常。

public async void Button_Click(object sender, EventArgs e)
{
    try
    {
        await SomeLongRunningOperationAsync();
    }
    catch (Exception ex)
    {
        HandleException(ex);
    }
}

在这个例子中，通过`try/catch`块处理了可能的异常，确保了程序的健壮性。

### 2.3.2 异步流和IAsyncEnumerable的使用

.NET Core 3.0 引入了`IAsyncEnumerable<T>`和相关的`IAsyncEnumerator<T>`接口，这些接口支持异步流，可以异步地产生一系列值，这对于处理大量数据或在生产数据时进行异步操作非常有用。

异步流的关键在于：

- **异步生产数据**：`IAsyncEnumerable<T>`接口允许数据源异步产生值，类似于`IEnumerable<T>`，但不阻塞线程。
- **异步消费数据**：配合`await foreach`语句，可以异步地遍历这些值，使得数据可以被逐个处理而不是一次性加载到内存中。

public async IAsyncEnumerable<int> GenerateNumbersAsync(int count)
{
    for (int i = 0; i < count; i++)
    {
        await Task.Delay(100); // 模拟异步操作
        yield return i;
    }
}

public async Task ProcessNumbersAsync()
{
    await foreach (var number in GenerateNumbersAsync(10))
    {
        Console.WriteLine(number);
    }
}

通过这种方式，`ProcessNumbersAsync`方法可以异步地处理每个数字，而不需要一次性将所有数字加载到内存中，这对于处理大规模数据集特别有效。

总结，异步