Opanowanie Async i Await w C#

Wprowadzenie

Programowanie asynchroniczne w C# jest kluczowe dla poprawy wydajności aplikacji, szczególnie podczas pracy z operacjami intensywnie wykorzystującymi I/O lub CPU. Słowa kluczowe async i await pozwalają programistom pisać asynchroniczny kod, który może wykonywać długotrwałe zadania bez blokowania głównego wątku. Oznaczając metodę słowem kluczowym async, sygnalizujesz, że metoda wykona operację asynchroniczną, zwracając Task lub Task<t>. Słowo kluczowe await jest używane w asynchronicznej metodzie do wstrzymania wykonania do momentu zakończenia oczekiwanego zadania, pozwalając innym operacjom działać równocześnie.

W przeciwieństwie do programowania synchronicznego, w którym zadania wykonują się sekwencyjnie i mogą blokować wątek wywołujący, metody asynchroniczne umożliwiają obsługę wielu zadań jednocześnie, takich jak procesy w tle lub obsługa danych wejściowych od użytkownika, bez zamrażania wątku interfejsu użytkownika. W tym artykułe zbadamy, jak async i await współdziałają, obejmując pojęcia takie jak metody async void, obsługa błędów, przełączanie kontekstów i konteksty synchronizacji. Nauczysz się, jak efektywnie zarządzać wieloma operacjami asynchronicznymi i obsługiwać wyjątki, zapewniając płynne wykonanie przez wątek wywołujący, wątek interfejsu użytkownika i zakończenie zadania. To podejście jest szczególnie przydatne w scenariuszach obejmujących systemy plików, żądania sieciowe lub równoczesne żądania, gdzie kluczowa jest responsywność.

Tim wprowadza do programowania asynchronicznego, wyjaśniając różnicę pomiędzy operacjami synchronicznymi a asynchronicznymi. W programowaniu synchronicznym zadania wykonywane są sekwencyjnie, co powoduje opóźnienia, jeśli zadanie trwa długo. Programowanie asynchroniczne pozwala na wykonanie zadań równolegle lub w tle, poprawiając wydajność i responsywność.

Demonstracja aplikacji - przewodnik

Tim ustawia demo aplikacji Windows Presentation Foundation (WPF), aby pokazać różnicę pomiędzy operacjami synchronicznymi a asynchronicznymi. Aplikacja zawiera dwa przyciski: jeden do wykonywania zadań synchronicznie, a drugi do ich wykonywania asynchronicznie.

Aplikacja zawiera również panel rezultatów do wyświetlania wyników.

Operacja Synchroniczna

Tim wyjaśnia kod stojący za operacją synchroniczną. Używany jest Stopwatch do zmierzenia czasu wykonania zadania.

private void ExecuteSync_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    Stopwatch stopwatch = Stopwatch.StartNew();
    List<string> websites = GetWebsiteList();
    foreach (var website in websites)
    {
        string result = DownloadWebsite(website);
        ReportWebsiteInfo(website, result);
    }
    stopwatch.Stop();
    ResultsWindow.Text += $"Total execution time: {stopwatch.ElapsedMilliseconds} ms{Environment.NewLine}";
}

private List<string> GetWebsiteList()
{
    return new List<string>
    {
        "https://www.yahoo.com",
        "https://www.google.com",
        "https://www.microsoft.com",
        "https://www.cnn.com",
        "https://www.codeproject.com",
        "https://www.stackoverflow.com"
    };
}

private string DownloadWebsite(string websiteURL)
{
    WebClient client = new WebClient();
    return client.DownloadString(websiteURL);
}

private void ReportWebsiteInfo(string website, string data)
{
    ResultsWindow.Text += $"{website}: {data.Length} characters{Environment.NewLine}";
}

private void ExecuteSync_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    Stopwatch stopwatch = Stopwatch.StartNew();
    List<string> websites = GetWebsiteList();
    foreach (var website in websites)
    {
        string result = DownloadWebsite(website);
        ReportWebsiteInfo(website, result);
    }
    stopwatch.Stop();
    ResultsWindow.Text += $"Total execution time: {stopwatch.ElapsedMilliseconds} ms{Environment.NewLine}";
}

private List<string> GetWebsiteList()
{
    return new List<string>
    {
        "https://www.yahoo.com",
        "https://www.google.com",
        "https://www.microsoft.com",
        "https://www.cnn.com",
        "https://www.codeproject.com",
        "https://www.stackoverflow.com"
    };
}

private string DownloadWebsite(string websiteURL)
{
    WebClient client = new WebClient();
    return client.DownloadString(websiteURL);
}

private void ReportWebsiteInfo(string website, string data)
{
    ResultsWindow.Text += $"{website}: {data.Length} characters{Environment.NewLine}";
}

Ten kod wykonuje następujące kroki:

1. Uruchomienie Stopera: Mierzy czas wykonania.
2. Pobranie Listy Stron Internetowych: Pobiera listę adresów URL stron internetowych.
3. Pobierz Każdą Stronę Internetową: Pobiera zawartość każdej strony internetowej.
4. Zgłoszenie Informacji o Stronie Internetowej: Wyświetla adres URL i długość pobranej zawartości.
5. Zatrzymanie Stopera: Zatrzymuje stoper i raportuje całkowity czas wykonania.

Obserwowanie Operacji Synchronicznej

Tim uruchamia aplikację, aby pokazać operację synchroniczną. Zauważa, że ​​interfejs użytkownika staje się nieodpowiedziąlny, gdy strony internetowe są pobierane, a wyniki są wyświetlane wszystkie naraz po zakończeniu pobierania.

Aby zobaczyć praktyczną demonstrację nieporuszającej się formy, obejrzyj film, aby lepiej zrozumieć o 9:20.

Tworzenie Zadania Async

Tim radzi sobie z pierwszym problemem, przekształcając metodę synchroniczną w asynchroniczną. Więc używa słów kluczowych async i await. Oto szczegółowy przedstawienie procesu:

1. Skopiowanie Istniejącej Metody Synchronicznej:

   • Tim kopiuje istniejącą metodę synchroniczną i zmienia jej nazwę, aby wskazać, że będzie asynchroniczna.

   private async Task RunDownloadAsync()
   {
      // Same code as RunDownloadSync, but will be modified for async
   }

   private async Task RunDownloadAsync()
   {
      // Same code as RunDownloadSync, but will be modified for async
   }

2. Modyfikacja Wywołania Pobierania dla Asynchronicznego Wykonania:

   • Tim owija wywołanie pobierania w Task.Run, aby wykonać je asynchronicznie.

   private async Task<WebsiteDataModel> DownloadWebsiteAsync(string websiteURL)
   {
      return await Task.Run(() => DownloadWebsite(websiteURL));
   }

   private async Task<WebsiteDataModel> DownloadWebsiteAsync(string websiteURL)
   {
      return await Task.Run(() => DownloadWebsite(websiteURL));
   }

   • Słowo kluczowe await zapewnia, że metoda czeka na zakończenie zadania asynchronicznego przed kontynuacją.

3. Upewnij Się, że Metoda Jest Async:

   • Sygnatura metody jest zaktualizowana o dodanie słowa kluczowego async, a metoda zwraca Task.

   private async Task RunDownloadAsync()
   {
      List<string> websites = GetWebsiteList();
      foreach (var website in websites)
      {
          var result = await DownloadWebsiteAsync(website);
          ReportWebsiteInfo(website, result);
      }
   }

   private async Task RunDownloadAsync()
   {
      List<string> websites = GetWebsiteList();
      foreach (var website in websites)
      {
          var result = await DownloadWebsiteAsync(website);
          ReportWebsiteInfo(website, result);
      }
   }

4. Poprawna Obsługa Zdarzenia:

   • Obsługa kliknięcia przycisku jest zaktualizowana, aby wywołać nową metodę asynchroniczną.

   private async void ExecuteAsync_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
   {
      Stopwatch stopwatch = Stopwatch.StartNew();
      await RunDownloadAsync();
      stopwatch.Stop();
      ResultsWindow.Text += $"Total execution time: {stopwatch.ElapsedMilliseconds} ms{Environment.NewLine}";
   }

   private async void ExecuteAsync_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
   {
      Stopwatch stopwatch = Stopwatch.StartNew();
      await RunDownloadAsync();
      stopwatch.Stop();
      ResultsWindow.Text += $"Total execution time: {stopwatch.ElapsedMilliseconds} ms{Environment.NewLine}";
   }

   • Uwaga, że ​​obsługiwacze zdarzeń mogą zwracać void, nawet jeśli wywołują metody asynchroniczne.

Poprawa Responsywności interfejsu użytkownika

Tim pokazuje, że dzięki użyciu słowa kluczowego await UI pozostaje responsywne. Pozwala to użytkownikom na interakcję z oknem, podczas gdy zadanie asynchroniczne jest wykonywane.

// UI remains responsive
private async void ExecuteAsync_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    Stopwatch stopwatch = Stopwatch.StartNew();
    await RunDownloadAsync();
    stopwatch.Stop();
    ResultsWindow.Text += $"Total execution time: {stopwatch.ElapsedMilliseconds} ms{Environment.NewLine}";
}

// UI remains responsive
private async void ExecuteAsync_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    Stopwatch stopwatch = Stopwatch.StartNew();
    await RunDownloadAsync();
    stopwatch.Stop();
    ResultsWindow.Text += $"Total execution time: {stopwatch.ElapsedMilliseconds} ms{Environment.NewLine}";
}

Zapewnienie Poprawnego Pomiaru Czasu

Aby zapewnić, że całkowity czas wykonania jest poprawnie raportowany, Tim dodaje słowo kluczowe await do wywołania w obsłudze zdarzenia kliknięcia przycisku.

// Correctly waits for the asynchronous task to complete
private async void ExecuteAsync_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    Stopwatch stopwatch = Stopwatch.StartNew();
    await RunDownloadAsync();
    stopwatch.Stop();
    ResultsWindow.Text += $"Total execution time: {stopwatch.ElapsedMilliseconds} ms{Environment.NewLine}";
}

// Correctly waits for the asynchronous task to complete
private async void ExecuteAsync_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    Stopwatch stopwatch = Stopwatch.StartNew();
    await RunDownloadAsync();
    stopwatch.Stop();
    ResultsWindow.Text += $"Total execution time: {stopwatch.ElapsedMilliseconds} ms{Environment.NewLine}";
}

Czekając na zakończenie metody asynchronicznej, czas wykonania jest mierzony dokładnie, a wyniki są wyświetlane tak, jak są pobierane.

Tworzenie Równoległego Async

private async Task RunDownloadParallelAsync()
{
    List<string> websites = GetWebsiteList();
    List<Task<WebsiteDataModel>> tasks = new List<Task<WebsiteDataModel>>();

    foreach (var website in websites)
    {
        tasks.Add(DownloadWebsiteAsync(website));
    }

    WebsiteDataModel[] results = await Task.WhenAll(tasks);

    foreach (var result in results)
    {
        ReportWebsiteInfo(result);
    }
}

private async Task RunDownloadParallelAsync()
{
    List<string> websites = GetWebsiteList();
    List<Task<WebsiteDataModel>> tasks = new List<Task<WebsiteDataModel>>();

    foreach (var website in websites)
    {
        tasks.Add(DownloadWebsiteAsync(website));
    }

    WebsiteDataModel[] results = await Task.WhenAll(tasks);

    foreach (var result in results)
    {
        ReportWebsiteInfo(result);
    }
}

private async void ExecuteAsync_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    Stopwatch stopwatch = Stopwatch.StartNew();
    await RunDownloadParallelAsync();
    stopwatch.Stop();
    ResultsWindow.Text += $"Total execution time: {stopwatch.ElapsedMilliseconds} ms{Environment.NewLine}";
}

private async void ExecuteAsync_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    Stopwatch stopwatch = Stopwatch.StartNew();
    await RunDownloadParallelAsync();
    stopwatch.Stop();
    ResultsWindow.Text += $"Total execution time: {stopwatch.ElapsedMilliseconds} ms{Environment.NewLine}";
}

Obserwowanie Poprawy Wydajności

Tim demonstruje poprawę wydajności, uruchamiając aplikację z wykonaniem równoległym. Wyniki pokazują znaczącą redukcję całkowitego czasu wykonania w porównaniu do wykonania sekwencyjnego.

// Parallel execution
async Task RunDownloadParallelAsync();

// Parallel execution
async Task RunDownloadParallelAsync();

Przyspieszenie jest widoczne, gdy strony internetowe są pobierane równocześnie, zmniejszając całkowity czas oczekiwania do czasu trwania najwolniejszego indywidualnego pobrania.

Opakowanie Metody w Task.Run() vs Wywołanie Metody Async

Tim wyjaśnia koncepcję użycia Task.Run() do owijania metody synchronicznej i uczynienia jej asynchroniczną, gdy nie możesz zmodyfikować oryginalnej metody. Jednakże, pokazuje również preferowane podejście modyfikacji samej metody, aby była asynchroniczna, jeśli masz nad nią kontrolę.

1. Owijanie Metody w Task.Run():

   • To podejście jest użyteczne, gdy nie możesz zmienić kodu oryginalnej metody, ale nadal chcesz ją wykonać asynchronicznie.

   private async Task<WebsiteDataModel> DownloadWebsiteAsync(string websiteURL)
   {
      return await Task.Run(() => DownloadWebsite(websiteURL));
   }

   private async Task<WebsiteDataModel> DownloadWebsiteAsync(string websiteURL)
   {
      return await Task.Run(() => DownloadWebsite(websiteURL));
   }

2. Uczynienie Metody Asynchroniczną:

   • Jeśli możesz zmodyfikować metodę, lepiej jest przekonwertować samą metodę na asynchroniczną, używając odpowiedniego API asynchronicznego.

   • Tim demonstruje to, zmieniając DownloadWebsite na DownloadWebsiteAsync i używając DownloadStringTaskAsync z WebClient.

   private async Task<WebsiteDataModel> DownloadWebsiteAsync(string websiteURL)
   {
      WebClient client = new WebClient();
      string data = await client.DownloadStringTaskAsync(websiteURL);
   
      return new WebsiteDataModel { URL = websiteURL, Data = data };
   }

   private async Task<WebsiteDataModel> DownloadWebsiteAsync(string websiteURL)
   {
      WebClient client = new WebClient();
      string data = await client.DownloadStringTaskAsync(websiteURL);
   
      return new WebsiteDataModel { URL = websiteURL, Data = data };
   }

3. Dostosowanie Metody Wywołującej:

   • Po przekonwertowaniu metody, kod wywołujący należy dostosować do usunięcia owijki Task.Run() i bezpośredniego wywołania metody asynchronicznej.

   private async Task RunDownloadParallelAsync()
   {
      List<string> websites = GetWebsiteList();
      List<Task<WebsiteDataModel>> tasks = new List<Task<WebsiteDataModel>>();
   
      foreach (var website in websites)
      {
          tasks.Add(DownloadWebsiteAsync(website));
      }
   
      WebsiteDataModel[] results = await Task.WhenAll(tasks);
   
      foreach (var result in results)
      {
          ReportWebsiteInfo(result);
      }
   }

   private async Task RunDownloadParallelAsync()
   {
      List<string> websites = GetWebsiteList();
      List<Task<WebsiteDataModel>> tasks = new List<Task<WebsiteDataModel>>();
   
      foreach (var website in websites)
      {
          tasks.Add(DownloadWebsiteAsync(website));
      }
   
      WebsiteDataModel[] results = await Task.WhenAll(tasks);
   
      foreach (var result in results)
      {
          ReportWebsiteInfo(result);
      }
   }

Podsumowanie Kluczowych Punktów

Tim kończy z kilkoma ważnymi wskazówkami dotyczącymi użycia async i await:

• Upewnij Się, że Metody Zwracają Zadania: Kiedykolwiek oznaczasz metodę jako async, powinna zwracać Task lub Task<t> zamiast void (z wyjątkiem obsługiwaczy zdarzeń).

• Użyj await do Niezawodnych Operacji: Użyj słowa kluczowego await, gdy potrzebujesz wyniku operacji asynchronicznej przed kontynuacją.

• Owijanie Zadań Dla Niedozmiennego Kodu: Użyj Task.Run() do owijania metod synchronicznych, gdy nie możesz zmodyfikować oryginalnej metody.

• Oznaczaj Metody Asynchroniczne Odpowiednio: Zawsze dodawaj Async do nazwy metody, aby wskazać, że jest to operacja asynchroniczna.

• Wykonanie Równoległe vs Sekwencyjne: Zdecyduj, czy zadania mogą być wykonywane równolegle, czy powinny czekać na siebie nawzajem, w oparciu o zależności między zadaniami.

Tim podkreśla, że programowanie asynchroniczne w C# stało się prostsze dzięki async, await i Task. Złożoności takie jak konteksty wątków i modele apartamentów są zarządzane w tle.

Wnioski

Samouczek Tima Corey'a na temat async i await w C# stanowi niezastąpione źródło do opanowania programowania asynchronicznego. Dokładnie wyjaśniając pojęcia takie jak równoległość zadań, responsywność interfejsu użytkownika oraz znaczenie używania async i await w odpowiednim kontekście, Tim dostarcza programistom narzędzi do tworzenia szybszych i bardziej responsywnych aplikacji. Jego szczegółowy przechodzenie pokazuje, jak efektywnie obsługiwać długotrwałe zadania bez blokowania głównego wątku, oraz strategie zarządzania operacjami asynchronicznymi i równoległym wykonaniem.

Aby uzyskać głębsze zrozumieniuiuiuiuie i dodatkowe praktyczne przykłady, gorąco polecam obejrzenie filmu Tima Corey'a video. Jego spostrzeżenia na temat metod async void, obsługi błędów i zarządzania kontekstami synchronizacji dodatkowo zwiększą twoją zdolność do wdrożenia tych pojęć w swoich projektach.