C# 非同步程式設計與執行緒實戰完全指南（.NET 4.5+）

核心概念釐清

同步 vs 非同步

• 同步：呼叫者等待被呼叫者完成才繼續，循序執行
• 非同步：呼叫後立即返回，呼叫者可繼續執行其他工作，被呼叫者在背景完成

非同步 ≠ 多執行緒

• 非同步是程式設計模式，執行緒是執行資源
• .NET 4.5+ 編譯器/執行環境自動管理執行緒池，開發者多無需手動建立 Thread

.NET 三種非同步模式演進

Task 與執行緒池

• Task 代表非同步作業，非執行緒本身
• 執行來源：執行緒池（預設）、新執行緒、同步執行、無執行緒（純計算/已完成）
• 開發者專注作業邏輯，執行緒管理交給執行環境

手動控制 Thread（少數必要場景）

var thread = new Thread(() => {
    // 背景工作
});
thread.Name = "Worker";
thread.IsBackground = true;  // 不阻礙程式結束
thread.Priority = ThreadPriority.AboveNormal;
thread.Start();

// 傳遞參數
new Thread(obj => {
    var data = (string)obj;
}).Start("parameter");

• 需設定 Name、Priority、IsBackground 等屬性時使用
• Lambda 簡化委派語法

async/await 核心語法

private async static void CallerWithAsync() {
    string result = await GetSomethingAsync();
    Console.WriteLine(result); // 等待完成後續執行
}

// 簽名限制：回傳 Task、Task 或 void（僅限事件處理器）
private async Task GetSomethingAsync() { ... }

• await 僅能用於 async 標記方法
• 可等待型別：Task、Task<T>、自訂實作 INotifyCompletion
• await 暫停當前方法，釋放執行緒，完成後續接執行

Task 建立與組合

建立 Task

// .NET 4.5+ 推薦
Task t = Task.Run(() => Greeting(name));

// 已有結果直接包裝
Task t = Task.FromResult(42);

等待單一 Task

string result = await GreetingAsync("Bob");

續作

Task t1 = GreetingAsync("Bob");
t1.ContinueWith(t => Console.WriteLine(t.Result));

並行等待多個 Task

// 循序等待（較慢）
var r1 = await GreetingAsync("A");
var r2 = await GreetingAsync("B");

// 並行等待（推薦）
Task t1 = GreetingAsync("A");
Task t2 = GreetingAsync("B");
await Task.WhenAll(t1, t2);
Console.WriteLine($"{t1.Result}, {t2.Result}");

// 任一完成
await Task.WhenAny(t1, t2);

例外處理策略

循序 await：僅捕獲第一個例外

try {
    await Task1();
    await Task2(); // Task1 失敗則不執行
} catch (Exception ex) { ... }

Task.WhenAll：聚合所有例外

try {
    await Task.WhenAll(t1, t2);
} catch (Exception ex) {
    // ex 為 AggregateException
    foreach (var inner in ex.InnerExceptions) { ... }
}

進階：保留 Task 參考檢查 IsFaulted

Task taskResult = null;
try {
    Task t1 = ..., t2 = ...;
    await (taskResult = Task.WhenAll(t1, t2));
} catch {
    if (taskResult.IsFaulted) {
        foreach (var inner in taskResult.Exception.InnerExceptions) { ... }
    }
}

取消機制

var cts = new CancellationTokenSource();
cts.CancelAfter(TimeSpan.FromSeconds(1));

try {
    var result = await GreetingAsync("Bob", cts.Token);
} catch (OperationCanceledException) {
    // 處理取消
}

// 長時間作業中定期檢查
static string Greeting(string name, CancellationToken token) {
    Thread.Sleep(3000);
    token.ThrowIfCancellationRequested();
    return $"Hello, {name}";
}

平行程式設計

資料平行

Parallel.For(0, 100, async (i, state) => {
    Console.WriteLine($"{i}, Task: {Task.CurrentId}, Thread: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    await Task.Delay(10);
    if (i > 5) state.Break();
});

任務平行

Parallel.Invoke(MethodOne, MethodTwo, MethodThree);

最佳實踐總結

1. 預設使用 async/await + Task.Run (TAP)
2. I/O 密集型：直接 await 非同步 API（HttpClient、Stream.ReadAsync、EF Core ToListAsync）
3. CPU 密集型：Task.Run 卸載至執行緒池
4. 避免 .Result/.Wait() 同步封鎖（死鎖風險）
5. 長時間作業支援 CancellationToken
6. 平行迴圈用 Parallel.For/ForEach，獨立任務用 Parallel.Invoke
7. 例外處理統一用 Task.WhenAll + try/catch

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