C#异步和并发在IO密集场景的典型应用 async/await

在 IO 密集型场景下，C# 中如何利用async/await实现异步和并发。

一、核心概念理解

首先要明确：IO 密集型场景（如网络请求、文件读写、数据库操作）的瓶颈不在于 CPU 计算，而在于等待外部资源响应。async/await的核心价值是释放线程------ 在等待 IO 响应时，当前线程不会被阻塞，可去处理其他任务，大幅提升程序吞吐量。

关键区别（新手必看）

表格

同步方式	异步方式（async/await）
线程阻塞等待 IO 响应	线程释放，IO 完成后回调
高线程占用，吞吐量低	低线程占用，吞吐量高
代码线性执行，易理解	代码看似线性，实际异步执行

二、IO 密集场景典型应用（附完整代码）

下面以文件批量读写 、多接口并发请求 、数据库异步操作三个典型场景为例，给出可直接运行的代码，并解释核心逻辑。

场景 1：批量读取文件（IO 密集）

需求：同时读取多个大文件，避免同步读取导致的阻塞，提升效率。

csharp 复制代码

using System;
using System.IO;
using System.Threading.Tasks;

class FileAsyncDemo
{
    // 异步读取单个文件
    private static async Task<string> ReadFileAsync(string filePath)
    {
        try
        {
            // 使用File类的异步方法，await等待IO完成（不阻塞线程）
            return await File.ReadAllTextAsync(filePath);
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine($"读取文件{filePath}失败：{ex.Message}");
            return string.Empty;
        }
    }

    // 批量异步读取多个文件（并发）
    private static async Task BatchReadFilesAsync(string[] filePaths)
    {
        // 1. 创建所有异步任务（此时任务已开始执行，并发）
        var readTasks = new Task<string>[filePaths.Length];
        for (int i = 0; i < filePaths.Length; i++)
        {
            readTasks[i] = ReadFileAsync(filePaths[i]);
        }

        // 2. 等待所有任务完成（非阻塞，线程可处理其他事）
        string[] fileContents = await Task.WhenAll(readTasks);

        // 3. 处理结果
        for (int i = 0; i < filePaths.Length; i++)
        {
            Console.WriteLine($"文件{filePaths[i]}内容长度：{fileContents[i].Length}");
        }
    }

    static async Task Main(string[] args)
    {
        // 测试文件路径（替换为你自己的文件路径）
        string[] files = { "file1.txt", "file2.txt", "file3.txt" };
        await BatchReadFilesAsync(files);
        Console.WriteLine("所有文件读取完成");
    }
}

核心解释：

File.ReadAllTextAsync：.NET 内置的异步 IO 方法，底层基于 IOCP（IO 完成端口），无阻塞等待文件读取。
Task.WhenAll：等待多个异步任务并发完成，而非逐个等待，是 IO 密集场景并发的核心 API。
整个过程中，主线程仅在await处 "挂起"，但线程会被 CLR 回收去处理其他任务，IO 完成后再恢复执行。

场景 2：多接口并发请求（网络 IO）

需求：同时调用多个第三方 API，汇总结果，避免逐个同步请求导致的耗时累加。

csharp 复制代码

using System;
using System.Net.Http;
using System.Threading.Tasks;

class HttpAsyncDemo
{
    // 静态HttpClient（避免频繁创建释放，符合最佳实践）
    private static readonly HttpClient _httpClient = new HttpClient();

    // 异步调用单个API
    private static async Task<string> CallApiAsync(string url)
    {
        try
        {
            // 异步发送GET请求，await等待响应（不阻塞线程）
            HttpResponseMessage response = await _httpClient.GetAsync(url);
            response.EnsureSuccessStatusCode(); // 检查是否HTTP 200
            return await response.Content.ReadAsStringAsync();
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine($"调用API{url}失败：{ex.Message}");
            return string.Empty;
        }
    }

    // 并发调用多个API
    private static async Task BatchCallApisAsync(string[] apiUrls)
    {
        // 1. 启动所有API请求任务（并发执行）
        var apiTasks = new Task<string>[apiUrls.Length];
        for (int i = 0; i < apiUrls.Length; i++)
        {
            apiTasks[i] = CallApiAsync(apiUrls[i]);
        }

        // 2. 等待所有请求完成，获取结果
        string[] apiResults = await Task.WhenAll(apiTasks);

        // 3. 处理结果
        for (int i = 0; i < apiUrls.Length; i++)
        {
            Console.WriteLine($"API{apiUrls[i]}返回结果长度：{apiResults[i].Length}");
        }
    }

    static async Task Main(string[] args)
    {
        // 测试API地址（替换为实际地址）
        string[] apis = { 
            "https://api.example.com/data1", 
            "https://api.example.com/data2",
            "https://api.example.com/data3"
        };

        Console.WriteLine("开始并发调用API...");
        DateTime start = DateTime.Now;
        await BatchCallApisAsync(apis);
        DateTime end = DateTime.Now;

        Console.WriteLine($"所有API调用完成，总耗时：{(end - start).TotalSeconds:F2}秒");
    }
}

核心解释：

HttpClient.GetAsync：异步网络请求，等待响应时线程不阻塞，适合高并发的网络 IO 场景。
注意：HttpClient需全局复用，不可在每次请求时创建（否则会耗尽端口）。
并发请求的总耗时≈最慢的那个 API 响应时间，而非所有 API 耗时之和，这是异步并发的核心优势。

场景 3：数据库异步操作（数据库 IO）

需求：异步执行数据库查询 / 插入，避免阻塞应用线程（尤其 Web 应用中，提升并发处理能力）。

csharp 复制代码

using System;
using System.Data.SqlClient;
using System.Threading.Tasks;

class DbAsyncDemo
{
    // 数据库连接字符串（替换为你的配置）
    private const string _connectionString = "Server=.;Database=TestDB;Integrated Security=True;";

    // 异步查询数据库
    private static async Task<int> GetUserCountAsync()
    {
        using (SqlConnection conn = new SqlConnection(_connectionString))
        {
            // 1. 异步打开连接（IO操作，无阻塞）
            await conn.OpenAsync();

            string sql = "SELECT COUNT(*) FROM Users";
            using (SqlCommand cmd = new SqlCommand(sql, conn))
            {
                // 2. 异步执行查询（IO操作，无阻塞）
                object result = await cmd.ExecuteScalarAsync();
                return Convert.ToInt32(result);
            }
        }
    }

    static async Task Main(string[] args)
    {
        try
        {
            Console.WriteLine("开始查询用户数量...");
            int count = await GetUserCountAsync();
            Console.WriteLine($"当前用户总数：{count}");
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine($"数据库操作失败：{ex.Message}");
        }
    }
}

核心解释：

OpenAsync/ExecuteScalarAsync：ADO.NET提供的异步数据库操作方法，等待数据库响应时释放线程。
在 Web 应用（如ASP.NET Core）中，异步数据库操作可大幅提升请求处理能力 ------ 同步操作会阻塞线程池线程，而异步操作可让线程处理更多请求。

三、IO 密集场景使用 async/await 的最佳实践

全程异步 ：从底层 IO 操作（如ReadAllTextAsync）到上层业务逻辑，全部使用async/await，避免 "异步包装同步"（如Task.Run包裹同步 IO 方法），否则无法释放线程，失去异步意义。

并发控制 ：IO 密集场景并发数不宜过高（如 API 请求并发数建议控制在 10-50），可使用SemaphoreSlim限制并发：

csharp 复制代码

// 限制最多10个并发请求
private static readonly SemaphoreSlim _semaphore = new SemaphoreSlim(10);
private static async Task<string> CallApiWithLimitAsync(string url)
{
    await _semaphore.WaitAsync(); // 等待信号量
    try
    {
        return await CallApiAsync(url);
    }
    finally
    {
        _semaphore.Release(); // 释放信号量
    }
}

避免 async void ：除了事件处理程序，异步方法应返回Task/Task<T>，便于异常捕获和任务等待。

总结

async/await在 IO 密集场景的核心价值是释放线程，避免线程阻塞等待外部资源，提升程序吞吐量。
并发实现的关键是Task.WhenAll（等待多个异步任务完成），而非逐个await，可大幅降低总耗时。
最佳实践：全程异步、控制并发数、避免async void，优先使用.NET 内置的异步 IO 方法（如ReadAllTextAsync、GetAsync、ExecuteScalarAsync）。