.NET 3.5 環境下的 C# 非同步程式設計框架實作

在 .NET Framework 4.0 推出 Task 與平行運算庫（TPL）之前，開發者若身處 .NET 3.5 專案環境，要實現非同步操作往往只能仰賴傳統的 BeginInvoke/EndInvoke 模式（APM）。本文將示範如何封裝一套輕量級的非同步程式框架，提供類似 Task.ContinueWith 的鏈式呼叫、例外處理、集合平行處理等功能，讓舊專案也能享受現代化的非同步開發體驗。

核心架構設計

框架由四大核心類別組成，分工明確：

• Operator（抽象基類）：定義非同步作業的通用契約，包含啟動、等待、回呼、例外捕捉與鏈式延續。
• ActionAsync：封裝無回傳值的 Action 委派。
• FuncAsync<TResult>：封裝有回傳值的 Func<TResult> 委派。
• Asynchronous（靜態門面）：提供 Invoke、WaitAll、Foreach、ContinueWithAsync 等便利方法，對外隱藏細節。

介面契約

public interface IOperationAsync
{
    IAsyncResult Invoke();           // 啟動非同步作業
    void Wait();                     // 同步等待完成
    void CompletedCallBack(IAsyncResult ar); // 完成回呼
    void CatchException(Exception ex);       // 例外捕捉
}

public interface IContinueWithAsync
{
    Operator Previous { get; set; }  // 上一個作業
    Operator Next { get; set; }      // 下一個作業
    Operator ContinueWithAsync(Action action);
    Operator ContinueWithAsync<TParameter>(Action<TParameter> action, TParameter parameter);
    Operator ContinueWithAsync<TResult>(Func<TResult> func);
    Operator ContinueWithAsync<TParameter, TResult>(Func<TParameter, TResult> func, TParameter parameter);
}

Operator 基類實作重點

Operator 同時實作上述兩個介面，內部持有 IAsyncResult Middle 作為目前作業的狀態控制代碼。關鍵邏輯如下：

• Wait()：若作業未完成，呼叫 AsyncWaitHandle.WaitOne() 封鎖執行緒。
• ContinueWithAsync 系列方法：建立下一個 Operator（ActionAsync 或 FuncAsync），設定 Previous/Next 雙向連結，並回傳新節點以支援鏈式語法。
• ContinueAsync()：在回呼完成時自動啟動 Next.Invoke()，實現自動延續。

ActionAsync 與 FuncAsync 具體實作

兩者皆繼承 Operator，差別在於委派型別與結果處理：

• ActionAsync：以 _action.BeginInvoke(CompletedCallBack, null) 啟動，回呼中呼叫 EndInvoke 並觸發 ContinueAsync()。
• FuncAsync<TResult>：實作 IFuncOperationAsync<TResult>，回呼中以 _func1.EndInvoke(ar) 取得回傳值，透過 SetResult 保存，GetResult() 內部會先 Wait() 確保完成再回傳。

Asynchronous 靜態門面：常用操作一覽

實戰範例

1. 基本 Fire-and-Forget

Asynchronous.Invoke(() => Console.WriteLine("背景作業執行中..."));

2. 有回傳值的非同步呼叫

var op = Asynchronous.Invoke(() => ComputeHeavy());
op.Wait();
Console.WriteLine($"結果：{((FuncAsync<int>)op).Result}");

3. 集合平行處理 + 統一等待

int[] data = {1,2,3,4,5};
var ops = Asynchronous.Foreach(data, x => x * 2); // 平行啟動
Asynchronous.WaitAll(ops);                        // 等全部完成
Asynchronous.Foreach(ops.Cast<FuncAsync<int,int>>(), 
                     o => Console.WriteLine(o.Result));

4. 鏈式延續

Asynchronous.Invoke(Console.WriteLine, 1)
    .ContinueWithAsync(Console.WriteLine, 2)
    .ContinueWithAsync(Console.WriteLine, 3);
// 依序輸出 1, 2, 3

5. 逐項完成即時通知

var ops = Asynchronous.Foreach(data, x => x * 2);
Asynchronous.Foreach(ops, o => 
    o.ContinueWithAsync(() => 
    {
        if (o.Exception != null) 
            LogError(o.Exception);
        else 
            Console.WriteLine($"項目完成：{((FuncAsync<int,int>)o).Result}");
    }));

已知限制與注意事項

• ContinueWithAsync 回傳的 Operator 若直接呼叫 Wait()，僅會等待該節點本身，不會自動往前追溯；建議將所有需等待的作業收集後統一 WaitAll。
• 框架基於 ThreadPool 執行，高併發場景下請自行評估執行緒池壓力，或搭配 SemaphoreSlim 限制平行度。
• 例外會被封裝在各 Operator.Exception 屬性，不會自動向上拋出，務必在延續或最後統一檢查。

結語

這套框架雖無法取代 .NET 4.0+ 的 Task/async-await，但在受限於 .NET 3.5 的存續專案中，能以極低成本引入現代化的非同步模式：啟動、等待、延續、集合平行、例外集中處理一應俱全。若團隊規劃遷移至新版框架，程式碼結構也極易對應至 Task.Run、Task.WhenAll、ContinueWith，遷移成本極低。