C#怎么使用Task實現執(zhí)行并行任務

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一、Task執(zhí)行并行任務的原理

使用Task執(zhí)行并行任務的原理是將任務分成多個小塊，每個小塊都可以在不同的線程上運行。然后，使用Task.Run方法將這些小塊作為不同的任務提交給線程池。線程池會自動管理線程的創(chuàng)建和銷毀，并根據系統(tǒng)資源的可用情況來自動調整線程數量，從而實現最大化利用CPU資源的效果。

二、5個示例展示

示例1

下面是一個簡單的示例，展示如何使用Task來執(zhí)行并行任務：

void Task1()
{
    // 創(chuàng)建任務數組
    var tasks = new Task[10];

    for (var i = 0; i < tasks.Length; i++)
    {
        var taskId = i + 1;

        // 使用Task.Run方法提交任務
        tasks[i] = Task.Run(() =>
        {
            Console.WriteLine("任務 {0} 運行在線程 {1} 中", taskId, Task.CurrentId);
            // 執(zhí)行任務邏輯
        });
    }

    // 等待所有任務完成
    Task.WaitAll(tasks);

    Console.WriteLine("所有任務運行完成。");
    Console.ReadKey();
}

在這個示例中，我們創(chuàng)建了一個長度為10的任務數組，然后使用Task.Run方法將每個任務提交給線程池。在任務執(zhí)行時，使用Task.CurrentId屬性獲取當前任務的ID，并打印出來以方便觀察。最后，我們使用Task.WaitAll方法等待所有任務完成并打印出一條完成信息。

運行的結果：

任務 3 運行在線程 11 中
任務 4 運行在線程 12 中
任務 8 運行在線程 16 中
任務 1 運行在線程 9 中
任務 2 運行在線程 10 中
任務 5 運行在線程 13 中
任務 6 運行在線程 14 中
任務 7 運行在線程 15 中
任務 9 運行在線程 17 中
任務 10 運行在線程 18 中
所有任務運行完成。

值得注意的是，在實際開發(fā)中，需要根據具體情況來評估任務的大小和數量，以確保并行任務的效率和可靠性。

示例2

另一個使用Task的示例是計算斐波那契數列。我們可以將斐波那契數列的每一項看成一個任務，然后使用Task.WaitAll方法等待所有任務完成。

void Task2()
{
    static long Fib(int n)
    {
        if (n is 0 or 1)
        {
            return n;
        }
        else
        {
            return Fib(n - 1) + Fib(n - 2);
        }
    }

    const int n = 10; // 計算斐波那契數列的前n項

    var tasks = new Task<long>[n];

    for (var i = 0; i < n; i++)
    {
        var index = i; // 需要在閉包內使用循環(huán)變量時需要賦值給另外一個變量

        if (i < 2)
        {
            tasks[i] = Task.FromResult((long)i);
        }
        else
        {
            tasks[i] = Task.Run(() => Fib(index));
        }
    }

    // 等待所有任務完成
    Task.WaitAll(tasks);

    // 打印結果
    for (var i = 0; i < n; i++)
    {
        Console.Write("{0} ", tasks[i].Result);
    }

    Console.ReadKey();
}

在這個示例中，我們使用Task數組來存儲所有的任務。如果需要計算的是前兩項，則直接使用Task.FromResult創(chuàng)建完成任務，否則使用Task.Run方法創(chuàng)建異步任務并調用Fib方法計算結果。在等待所有任務完成后，我們遍歷Task數組，并使用Task.Result屬性獲取每個任務的結果并打印出來。

運行的結果：

0 1 1 2 3 5 8 13 21 34

需要注意的是，在創(chuàng)建異步任務時，由于循環(huán)變量在閉包內的值是不確定的，因此需要將其賦值給另外一個變量，并在閉包內使用該變量。否則，所有任務可能會使用同一個循環(huán)變量的值，導致結果錯誤。

示例3

除了使用Task數組存儲所有任務，還可以使用Task.Factory.StartNew方法創(chuàng)建并行任務。這個方法與Task.Run方法類似，都可以創(chuàng)建異步任務并提交給線程池。

void Task3()
{
    long Factorial(int n)
    {
        if (n == 0) return 1;
        return n * Factorial(n - 1);
    }

    const int n = 5; // 計算階乘的數

    var task = Task.Factory.StartNew(() => Factorial(n));

    Console.WriteLine("計算階乘...");

    // 等待任務完成
    task.Wait();

    Console.WriteLine("{0}! = {1}", n, task.Result);
    Console.ReadKey();
}

在這個示例中，我們使用Task.Factory.StartNew方法創(chuàng)建一個計算階乘的異步任務，并等待任務完成后打印結果。

運行結果：

計算階乘...
5! = 120

需要注意的是，盡管Task.Run和Task.Factory.StartNew方法都可以創(chuàng)建異步任務，但它們的行為略有不同。特別是，Task.Run方法總是使用TaskScheduler.Default作為任務調度器，而Task.Factory.StartNew方法可以指定任務調度器、任務類型和其他選項。因此，在選擇使用哪種方法時，需要根據具體情況進行評估。

示例4

另一個使用Task的示例是異步讀取文件。在這個示例中，我們使用Task.FromResult方法創(chuàng)建一個完成任務，并將文件內容作為結果返回。

void Task4()
{
    const string filePath = "test.txt";

    var task = Task.FromResult(File.ReadAllText(filePath)); // 只是方便舉例，更好的代碼應該是：File.ReadAllTextAsync(filePath); 

    Console.WriteLine("讀取文件內容...");

    // 等待任務完成
    task.Wait();

    Console.WriteLine("文件內容: {0}", task.Result);
    Console.ReadKey();
}

在這個示例中，我們使用Task.FromResult方法創(chuàng)建一個完成任務，并通過File.ReadAllText方法讀取文件內容并將其作為結果返回。在等待任務完成后，我們可以通過調用Task.Result屬性來獲取任務的結果。

文中記事本請隨意創(chuàng)建

需要注意的是，在實際開發(fā)中，如果需要處理大型文件或需要執(zhí)行長時間的I/O操作，則應該使用異步代碼來避免阻塞UI線程。例如，在讀取大型文件時，我們可以使用異步代碼來避免阻塞UI線程，從而提高應用程序的性能和響應速度。

示例5

最后一個示例是使用Task和async/await實現異步任務。在這個示例中，我們將一個耗時的操作封裝為異步方法，并使用async/await關鍵字來等待該操作完成。

async Task Task5()
{
    async Task<string> LongOperationAsync()
    {
        // 模擬耗時操作
        await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(3));

        return "完成";
    }

    Console.WriteLine($"{DateTime.Now:yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff}開始耗時操作...");

    // 等待異步方法完成
    var result = await LongOperationAsync();

    Console.WriteLine($"{DateTime.Now:yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff}耗時操作完成: {result}");
    Console.ReadKey();
}

在這個示例中，我們使用async/await關鍵字將LongOperationAsync方法聲明為異步方法，并使用await關鍵字等待Task.Delay操作完成。在主程序中，我們可以使用await關鍵字等待LongOperationAsync完成并獲取其結果。

2023-03-28 20:54:09.111開始耗時操作...
2023-03-28 20:54:12.143耗時操作完成: 完成

需要注意的是，在使用async/await關鍵字時，應該避免在異步方法內部使用阻塞線程的操作，否則可能會導致UI線程被阻塞。如果必須執(zhí)行阻塞操作，可以將其放在不同的線程上執(zhí)行，或者使用異步IO操作來避免阻塞線程。

三、使用async/await關鍵字注意

在使用async/await關鍵字時，還有一些細節(jié)需要注意，再給出兩個示例。

示例1

示例代碼如下所示：

async Task Task6()
{
    async Task<string> LongOperationAsync(int id)
    {
        // 模擬耗時操作
        await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(1 + id));

        return $"{DateTime.Now:ss.fff}完成 {id}";
    }

    Console.WriteLine($"{DateTime.Now:yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff}開始耗時操作...");

    // 等待多個異步任務完成
    var task1 = LongOperationAsync(1);
    var task2 = LongOperationAsync(2);
    var task3 = LongOperationAsync(3);

    var results = await Task.WhenAll(task1, task2, task3);
    var resultStr = string.Join(",", results);

    Console.WriteLine($"{DateTime.Now:yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff}耗時操作完成: {resultStr}");
    Console.ReadKey();
}

在這個示例中，我們使用Task.WhenAll方法等待多個異步任務完成，并使用Join方法將所有任務的結果連接起來作為最終結果。

2023-03-28 21:15:42.855開始耗時操作...
2023-03-28 21:15:46.894耗時操作完成: 44.888完成 1,45.883完成 2,46.893完成 3

示例2

另一個需要注意的問題是，在使用async/await關鍵字時，應該盡可能避免使用ConfigureAwait(false)方法。這個方法可以讓異步操作不必恢復到原始的SynchronizationContext上，從而減少線程切換的開銷和提高性能。

然而，在某些情況下，如果在異步操作完成后需要返回到原始的SynchronizationContext上，使用ConfigureAwait(false)會導致調用者無法正確處理結果。因此，建議僅在確定不需要返回到原始的SynchronizationContext上時才使用ConfigureAwait(false)方法。

示例代碼: 假設我們有一個控制臺應用程序，其中有兩個異步方法：MethodAAsync()和MethodBAsync()。MethodAAsync()會等待1秒鐘，然后返回一個字符串。MethodBAsync()會等待2秒鐘，然后返回一個字符串。代碼如下所示：

async Task<string> MethodAAsync()
{
    await Task.Delay(1000);
    return $"{DateTime.Now:ss.fff}>Hello";
}

async Task<string> MethodBAsync()
{
    await Task.Delay(2000);
    return $"{DateTime.Now:ss.fff}>World";
}

現在，我們想要同時調用這兩個方法，并將它們的結果合并成一個字符串。我們可以像下面這樣編寫代碼：

async Task<string> CombineResultsAAsync()
{
    var resultA = await MethodAAsync();
    var resultB = await MethodBAsync();
    return $"{DateTime.Now:yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff}: {resultA} | {resultB}";
}

這個代碼看起來非常簡單明了，但是它存在一個性能問題。當我們調用CombineResultsAAsync()方法時，第一個await操作將使執(zhí)行上下文切換回原始SynchronizationContext（即主線程），因此我們的異步操作將在UI線程上運行。由于我們要等待1秒鐘才能從MethodAAsync()中返回結果，因此UI線程將被阻塞，直到異步操作完成并且結果可用為止。

這種情況下，我們可以使用ConfigureAwait(false)方法來指定不需要保留當前上下文的線程執(zhí)行狀態(tài)，從而讓異步操作在一個線程池線程上運行。這可以通過下面的代碼實現：

async Task<string> CombineResultsBAsync()
{
    var resultA = await MethodAAsync().ConfigureAwait(false);
    var resultB = await MethodBAsync().ConfigureAwait(false);
    return $"{DateTime.Now:yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff}: {resultA} | {resultB}";
}

通過使用ConfigureAwait(false)方法，我們告訴異步操作不需要保留當前上下文的線程執(zhí)行狀態(tài)，這樣異步操作就會在一個線程池線程上運行，而不是在UI線程上運行。這樣做可以避免一些潛在的性能問題，因為我們的UI線程不會被阻塞，并且異步操作可以在一個新的線程池線程上運行。

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