C# 并行和多線程編程：認識和使用 Task
在現代應用程序開發中，并行和多線程編程是提高性能、響應性和資源利用率的重要手段。C# 提供了多種方式來實現并行和多線程編程，其中 Task 類是.NET Framework中最為強大和靈活的工具之一。本文將介紹 Task 的基本概念、使用方法和一些實際代碼示例。
一、Task的基本概念
Task 類位于 System.Threading.Tasks 命名空間中，是.NET中實現異步編程的核心類。相比于傳統的線程（Thread）類，Task 提供了更高級別的抽象，使得開發者可以更容易地創建和管理異步操作。
Task 表示一個異步操作，它可以返回一個值，并且可以通過 Task 對象來監視操作的狀態、等待其完成以及獲取返回值（如果有的話）。Task 還支持任務的取消、異常處理和任務之間的依賴關系。
二、創建和啟動Task
1. 使用 Task.Run
最簡單的方式是使用 Task.Run 靜態方法來創建和啟動一個任務。Task.Run 會自動將一個 Action 或 Func<T> 委托包裝成一個任務并調度到線程池中執行。
using System;
using System.Threading.Tasks;
class Program
{
static void Main()
{
// 使用Task.Run啟動一個異步任務
Task task = Task.Run(() =>
{
// 這里是異步操作的代碼
Console.WriteLine("Task is running on thread " + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
Thread.Sleep(2000); // 模擬耗時操作
});
// 等待任務完成
task.Wait();
Console.WriteLine("Main thread continues on thread " + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}
}2. 使用任務工廠（Task Factory）
還可以通過 TaskFactory 來創建和啟動任務，這種方式提供了更多的定制選項，比如指定任務調度器。
TaskFactory factory = new TaskFactory();
factory.StartNew(() =>
{
// 異步操作的代碼
Console.WriteLine("Task is running using factory on thread " + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
});3. 創建并啟動一個帶返回值的Task
如果任務需要返回一個值，可以使用 Task<T>，其中 T 是返回值的類型。
Task<int> taskWithResult = Task.Run(() =>
{
// 這里是異步操作的代碼，并返回一個整數值
int result = 42;
return result;
});
// 獲取任務的結果（會等待任務完成）
int taskResult = taskWithResult.Result;
Console.WriteLine("Task result: " + taskResult);三、Task的并行執行
1. 使用 Parallel.For 和 Parallel.ForEach
雖然 Task 本身是用于創建和管理單個異步操作的，但.NET還提供了 Parallel 類來支持并行循環操作。Parallel.For 和 Parallel.ForEach 方法可以在多個線程上并行執行循環的迭代。
int[] numbers = { 1, 2, 3, 4, 5 };
// 使用Parallel.ForEach并行處理集合
Parallel.ForEach(numbers, number =>
{
Console.WriteLine("Processing number " + number + " on thread " + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
});2. 使用 Task.WhenAll 和 Task.WhenAny
當需要并行執行多個任務，并在所有任務都完成時獲取結果時，可以使用 Task.WhenAll。如果只需要在任何一個任務完成時繼續執行，則可以使用 Task.WhenAny。
Task task1 = Task.Run(() => { /* ... */ Thread.Sleep(1000); });
Task task2 = Task.Run(() => { /* ... */ Thread.Sleep(2000); });
// 等待所有任務完成
Task.WhenAll(task1, task2).Wait();
// 或者等待任何一個任務完成
Task.WhenAny(task1, task2).Wait();四、Task的異常處理
在異步任務中捕獲異常是非常重要的，因為未捕獲的異常可能會導致應用程序崩潰。Task 類提供了多種方式來處理異常。
1. 使用 try-catch 塊
可以在任務的代碼內部使用 try-catch 塊來捕獲和處理異常。
Task task = Task.Run(() =>
{
try
{
// 可能會拋出異常的代碼
throw new InvalidOperationException("An error occurred in the task.");
}
catch (Exception ex)
{
Console.WriteLine("Exception caught in task: " + ex.Message);
// 處理異常
}
});
task.Wait(); // 確保主線程等待任務完成2. 使用任務的 Exception 屬性
如果任務在完成時拋出了異常，可以通過任務的 Exception 屬性來訪問這些異常。注意，這種方式通常用于同步等待任務完成時（如使用 task.Wait() 或 task.Result）。
try
{
Task task = Task.Run(() => { throw new InvalidOperationException("Task error"); });
task.Wait(); // 這行會拋出AggregateException
}
catch (AggregateException ex)
{
foreach (var innerEx in ex.InnerExceptions)
{
Console.WriteLine("Task exception: " + innerEx.Message);
}
}或者，可以檢查任務的 IsFaulted 屬性，并使用 Exception 屬性來獲取異常信息（這種方式不會拋出異常）：
Task task = Task.Run(() => { throw new InvalidOperationException("Task error"); });
if (task.IsFaulted)
{
foreach (var ex in task.Exception.InnerExceptions)
{
Console.WriteLine("Task exception: " + ex.Message);
}
}五、總結
Task 類是C#中實現并行和多線程編程的強大工具。它提供了靈活的創建、管理和監視異步操作的能力，支持返回值、異常處理、任務取消和并行執行。通過合理地使用 Task，開發者可以創建高效、響應性強和資源利用率高的應用程序。在實際開發中，應根據具體場景選擇合適的異步編程模式和異常處理策略，以確保程序的穩定性和性能。
