C#面试常考随笔16：多线程汇总，Task状态机，async和await关键字

1.描述进程与线程的区别

定义上：

进程：进程是程序在操作系统中的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的基本单位。简单来说，当你运行一个程序，操作系统就会为这个程序创建一个进程，它包含了程序运行所需的各种资源，如内存空间、文件句柄等。例如，当你打开一个记事本程序，操作系统就会创建一个记事本进程。
线程：线程是进程中的一个执行单元，是 CPU 调度和分派的基本单位。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源，但每个线程有自己独立的执行路径和栈空间。比如在一个视频编辑软件进程中，可能有一个线程负责播放视频，另一个线程负责处理用户的操作输入。

通讯上：

进程：由于进程之间的资源相互隔离，需要使用特定的进程间通信（IPC）机制，如管道、消息队列、共享内存、套接字等。例如，在一个分布式系统中，不同的进程可能分布在不同的计算机上，它们可以通过网络套接字进行通信。
线程：线程之间共享所属进程的资源，因此它们之间的通信相对简单。可以直接访问共享的变量和对象，通过共享内存进行数据交换。但需要注意的是，由于多个线程可以同时访问共享资源，可能会导致数据竞争和线程安全问题，需要使用同步机制（如锁、信号量等）来保证数据的一致性。例如，在一个多线程的数据库应用程序中，多个线程可能同时访问和修改数据库连接池中的连接对象，需要使用锁来保证同一时间只有一个线程可以访问连接对象。

并发性能：

进程：进程之间的并发是由操作系统进行调度的，不同进程可以在不同的 CPU 核心上并行执行，从而充分利用多核处理器的性能。但由于进程的创建和销毁开销较大，以及进程间通信的复杂性，进程级并发的性能可能会受到一定的影响。例如，在一个多核服务器上，可以同时运行多个独立的数据库进程，每个进程负责处理一部分数据请求。
线程：线程的并发性能相对较高，因为线程的创建和销毁开销较小，且线程之间的切换速度较快。多个线程可以在同一个进程内并发执行，充分利用 CPU 的时间片。但当线程数量过多时，会增加 CPU 的调度开销，可能会导致性能下降。例如，在一个图像处理程序中，可以创建多个线程来同时处理不同区域的图像数据，提高处理速度。

2. 前台线程和后台线程有什么区别？

通过将 Thread.IsBackground 属性设置为 true，就可以将线程指定为后台线程。

简单来说

前台线程： 应⽤必须结束掉所有的前台线程才能结束程序，只要有⼀个前台线程没退出进程就不会⾃动退出。前台线程通常用于执行一些需要完整执行过程的任务，例如用户界面交互、数据处理等

后台线程：进程可以不考虑后台直接⾃动退出，进程⾃动退出后所有的后台线程也会⾃动销毁。后台线程常用于执行一些辅助性的任务，如日志记录、垃圾回收等

详细介绍： C#代码，前台线程和后台线程有什么区别？-优快云博客

3.Task状态机工作原理

Task 是用于表示异步操作的核心类型，而 Task 状态机则是 async/await 关键字背后的实现机制。当使用 async 和 await 关键字编写异步代码时，编译器会将其转换为一个状态机，这个状态机负责管理异步操作的执行流程。

async Task MyAsyncMethod()
{
  Console.WriteLine("Before await");
  await SomeAsyncOperation(); // 这里会生成状态机代码
  Console.WriteLine("After await");
}

await SomeAsyncOperation() 的执行会生成状态机代码，将异步操作的执行过程以状态机的形式表示，使得在异步操作未完成之前，MyAsyncMethod 可以被暂时挂起而不阻塞线程。

工作机制

异步方法启动：当调用一个使用 async 修饰的异步方法时，该方法的执行将立即返回一个 Task 对象，表示异步操作的状态。

生成状态机：在编译时，编译器会对包含 await 关键字的异步方法生成一个状态机。这个状态机是一个类，负责跟踪异步操作的状态和执行过程。

挂起和继续：当 await 关键字遇到一个尚未完成的异步操作时，异步方法会被暂停，状态机会将控制权还给调用者。当异步操作完成时，状态机会通过回调机制通知异步方法继续执行。

非阻塞：异步方法的执行过程中，不会阻塞线程。线程可以继续执行其他任务，提高了程序的并发性。

Task 完成：当异步操作完成时，相关的 Task 对象的状态会从等待状态变为完成状态，可以通过 Task 的 Result 属性获取异步操作的结果。

运用场景

1.异步 I/O 操作

当进行文件读写、网络请求等 I/O 密集型操作时，使用 Task 状态机可以避免阻塞主线程，提高应用程序的响应性能。

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

class Program
{
    static async Task Main()
    {
        try
        {
            string filePath = "test.txt";
            // 异步读取文件内容
            string content = await File.ReadAllTextAsync(filePath);
            Console.WriteLine(content);
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine($"Error: {ex.Message}");
        }
    }
}

2.并行计算

在需要同时执行多个计算任务的场景中，可以使用 Task 状态机来并行执行这些任务，提高计算效率。

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static async Task Main()
    {
        Task<int> task1 = Task.Run(() => CalculateSum(1, 100));
        Task<int> task2 = Task.Run(() => CalculateSum(101, 200));

        int result1 = await task1;
        int result2 = await task2;

        int total = result1 + result2;
        Console.WriteLine($"Total sum: {total}");
    }

    static int CalculateSum(int start, int end)
    {
        int sum = 0;
        for (int i = start; i <= end; i++)
        {
            sum += i;
        }
        return sum;
    }
}

3.延迟操作

可以使用 Task.Delay 方法来实现延迟操作，同时不阻塞主线程。

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static async Task Main()
    {
        Console.WriteLine("Starting delay...");
        await Task.Delay(2000); // 延迟 2 秒
        Console.WriteLine("Delay finished.");
    }
}

`Task` 状态机与 `async` 和 `await` 关键字之间的使用

`async` 关键字

async 关键字用于修饰方法，表示该方法是一个异步方法。异步方法可以包含 await 关键字，并且返回类型通常是 Task 或 Task<T>。
当编译器遇到 async 方法时，会将其转换为一个状态机。

`await` 关键字

await 关键字用于等待一个 Task 完成。当执行到 await 表达式时，状态机会暂停当前方法的执行，保存当前状态，并将控制权返回给调用者。
当 Task 完成后，状态机会恢复执行，并继续执行 await 之后的代码。

示例：

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static async Task Main()
    {
        Console.WriteLine("Before async method call");
        await DoAsyncWork();
        Console.WriteLine("After async method call");
    }

    static async Task DoAsyncWork()
    {
        Console.WriteLine("Starting async work");
        await Task.Delay(1000); // 模拟异步操作
        Console.WriteLine("Async work finished");
    }
}