面试题：C# 异步编程中的性能优化与资源管理

Question

在一个高并发的 C# 应用程序中，大量使用 Async 和 Await 进行异步 I/O 操作。请阐述如何对这些异步操作进行性能优化，避免资源耗尽（如线程池资源）。同时，描述如何使用 `SemaphoreSlim` 或其他合适的机制来限制并发数，确保系统稳定运行，并结合代码示例说明。

Answer 1

异步操作性能优化及避免资源耗尽

1. 合理设置线程池参数：
   • 可以通过 ThreadPool.SetMinThreads 和 ThreadPool.SetMaxThreads 方法设置线程池的最小和最大线程数。例如，如果知道应用程序主要是 I/O 密集型，可以适当降低最小线程数，因为 I/O 操作通常不会占用线程执行，这样可以减少线程上下文切换开销。

   // 设置最小工作线程数为10，最小I/O完成线程数为10
   ThreadPool.SetMinThreads(10, 10); 
   // 设置最大工作线程数为100，最大I/O完成线程数为100
   ThreadPool.SetMaxThreads(100, 100); 
   

2. 避免不必要的异步/同步切换：
   • 确保异步方法内部尽量保持异步操作，避免在异步方法中调用同步方法，因为这可能导致线程池线程阻塞，浪费资源。例如，如果有一个异步方法 AsyncMethod，内部调用了一个同步的数据库查询方法 SyncDbQuery，应将 SyncDbQuery 改为异步版本 AsyncDbQuery。

   // 错误示例
   public async Task<int> AsyncMethod()
   {
       return SyncDbQuery();
   }
   // 正确示例
   public async Task<int> AsyncMethod()
   {
       return await AsyncDbQuery();
   }
   

3. 使用异步流（IAsyncEnumerable）：
   • 对于处理大量数据的异步操作，使用 IAsyncEnumerable 可以逐块处理数据，而不是一次性加载所有数据到内存。这在处理大型文件或数据库结果集时很有用。

   public async IAsyncEnumerable<int> GetLargeDataAsync()
   {
       // 模拟从数据库逐行读取数据
       for (int i = 0; i < 10000; i++)
       {
           await Task.Delay(10);
           yield return i;
       }
   }
   

   • 消费异步流时：

   public async Task ProcessDataAsync()
   {
       await foreach (var item in GetLargeDataAsync())
       {
           // 处理item
           Console.WriteLine(item);
       }
   }
   

使用 SemaphoreSlim 限制并发数

SemaphoreSlim 可以用来限制并发操作的数量。例如，假设一个应用程序需要从多个 API 获取数据，但每个 API 有并发限制，我们可以使用 SemaphoreSlim 来控制并发请求数。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    private static SemaphoreSlim _semaphore = new SemaphoreSlim(5, 5); // 初始化并发数为5

    static async Task Main()
    {
        var tasks = new List<Task>();
        for (int i = 0; i < 20; i++)
        {
            tasks.Add(FetchDataAsync(i));
        }
        await Task.WhenAll(tasks);
        _semaphore.Dispose();
    }

    static async Task FetchDataAsync(int id)
    {
        await _semaphore.WaitAsync();
        try
        {
            // 模拟API调用
            Console.WriteLine($"Task {id} started");
            await Task.Delay(1000);
            Console.WriteLine($"Task {id} completed");
        }
        finally
        {
            _semaphore.Release();
        }
    }
}

在上述代码中，SemaphoreSlim 初始化允许的并发数为 5。每个 FetchDataAsync 方法在执行实际操作前先调用 WaitAsync 获取信号量，如果信号量已达上限则等待。操作完成后调用 Release 释放信号量，这样其他任务就可以获取信号量继续执行，从而保证系统稳定运行，避免因过多并发导致资源耗尽。