Visual Basic异步编程模式探究

Visual Basic 异步编程模式的基础概念

在 Visual Basic 编程环境中，异步编程是一种允许程序在执行某些操作时不阻塞主线程的技术。这在处理诸如 I/O 操作（如文件读取、网络请求）或长时间运行的计算任务时非常有用。传统的同步编程方式下，当一个操作启动后，程序会一直等待该操作完成才继续执行后续代码，这可能导致用户界面冻结，降低用户体验。而异步编程通过将这些耗时操作放到后台线程执行，主线程可以继续处理其他任务，比如响应用户输入。

在 Visual Basic 中，异步编程主要依赖于 Async 和 Await 关键字。Async 关键字用于标记一个异步方法，表明该方法内部可能包含异步操作。Await 关键字只能在 Async 方法内部使用，它用于暂停当前方法的执行，直到所等待的异步操作完成。

下面通过一个简单的示例来理解基础概念。假设我们有一个需要模拟网络请求的方法，该方法需要等待一段时间来模拟网络延迟：

Imports System.Threading.Tasks

Public Class Form1
    Private Async Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Dim result As String = Await SimulateNetworkRequest()
        TextBox1.Text = result
    End Sub

    Private Async Function SimulateNetworkRequest() As Task(Of String)
        Await Task.Delay(3000) '模拟 3 秒的网络延迟
        Return "网络请求成功，这是返回的数据"
    End Function
End Class

在上述代码中，Button1_Click 方法被标记为 Async，因为它内部使用了 Await。SimulateNetworkRequest 方法也是 Async 的，它使用 Task.Delay 模拟网络延迟，并返回一个包含模拟数据的任务。当 Button1_Click 方法执行到 Await SimulateNetworkRequest() 时，它会暂停执行，直到 SimulateNetworkRequest 任务完成，此时主线程不会被阻塞，用户界面仍然可以响应其他操作。

异步方法的返回类型

在 Visual Basic 中，异步方法可以有不同的返回类型，主要包括 Task、Task(Of TResult) 和 Sub。

Task 返回类型

当异步方法不返回具体的结果时，可以使用 Task 作为返回类型。例如，我们有一个方法用于在后台删除一个文件，这个操作不需要返回特定的结果：

Imports System.IO
Imports System.Threading.Tasks

Public Class Form1
    Private Async Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Await DeleteFileAsync("test.txt")
        MessageBox.Show("文件删除完成")
    End Sub

    Private Async Function DeleteFileAsync(filePath As String) As Task
        If File.Exists(filePath) Then
            Await Task.Run(Sub() File.Delete(filePath))
        End If
    End Function
End Class

在 DeleteFileAsync 方法中，我们使用 Task.Run 将文件删除操作放到后台线程执行。Task.Run 接受一个 Action，这里是 Sub() File.Delete(filePath)。由于该操作不需要返回具体结果，所以方法返回 Task。

Task(Of TResult) 返回类型

当异步方法需要返回一个具体类型的结果时，使用 Task(Of TResult) 作为返回类型。前面的 SimulateNetworkRequest 方法就是一个例子，它返回 Task(Of String)，表明返回的任务最终会产生一个字符串类型的结果。

Sub 返回类型

异步 Sub 方法通常用于事件处理程序，如按钮点击事件。虽然可以在异步 Sub 方法中使用 Await，但它有一些局限性。因为 Sub 方法不能被 Await，所以如果一个异步 Sub 方法调用另一个异步方法，调用者无法等待被调用方法完成。例如：

Public Class Form1
    Private Async Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        DoSomeAsyncWork() '这里不能使用 Await，因为 DoSomeAsyncWork 是 Sub
        MessageBox.Show("按钮点击处理程序继续执行")
    End Sub

    Private Async Sub DoSomeAsyncWork()
        Await Task.Delay(2000)
        MessageBox.Show("异步工作完成")
    End Sub
End Class

在这个例子中，Button1_Click 调用 DoSomeAsyncWork 时，无法等待 DoSomeAsyncWork 完成就继续执行后续代码。因此，在可能的情况下，尽量使用返回 Task 或 Task(Of TResult) 的异步方法，以便更好地控制异步操作的流程。

异步编程中的异常处理

在异步编程中，异常处理同样重要。当异步操作出现异常时，异常会被封装在任务中。在使用 Await 时，异常会被抛出，就像在同步代码中一样。

例如，我们修改前面的 SimulateNetworkRequest 方法，让它在某些情况下抛出异常：

Imports System.Threading.Tasks

Public Class Form1
    Private Async Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Try
            Dim result As String = Await SimulateNetworkRequest()
            TextBox1.Text = result
        Catch ex As Exception
            MessageBox.Show($"发生异常: {ex.Message}")
        End Try
    End Sub

    Private Async Function SimulateNetworkRequest() As Task(Of String)
        If Rnd() > 0.5 Then '50% 的概率抛出异常
            Throw New Exception("模拟网络请求失败")
        End If
        Await Task.Delay(3000) '模拟 3 秒的网络延迟
        Return "网络请求成功，这是返回的数据"
    End Function
End Class

在 Button1_Click 方法中，我们使用 Try - Catch 块来捕获 SimulateNetworkRequest 方法可能抛出的异常。当 SimulateNetworkRequest 抛出异常时，Await 会将异常抛出，Catch 块可以捕获并处理该异常。

如果异步方法返回 Task 且没有使用 Await，可以通过 Task 的 ContinueWith 方法来处理异常：

Imports System.Threading.Tasks

Public Class Form1
    Private Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Dim task As Task = SimulateNetworkRequest()
        task.ContinueWith(Sub(t)
                              If t.IsFaulted Then
                                  MessageBox.Show($"发生异常: {t.Exception.InnerException.Message}")
                              End If
                          End Sub)
    End Sub

    Private Async Function SimulateNetworkRequest() As Task
        If Rnd() > 0.5 Then '50% 的概率抛出异常
            Throw New Exception("模拟网络请求失败")
        End If
        Await Task.Delay(3000) '模拟 3 秒的网络延迟
    End Function
End Class

在这个例子中，我们通过 task.ContinueWith 方法来检查任务是否出现故障（即是否抛出异常），如果是，则处理异常。

异步编程与多线程的关系

虽然异步编程和多线程都可以实现并行处理，但它们有一些关键的区别。

多线程编程通过创建多个线程来同时执行不同的任务。每个线程都有自己的调用栈和执行上下文，线程之间通过共享内存等方式进行通信。然而，多线程编程也带来了一些挑战，如线程安全问题（例如竞态条件、死锁），因为多个线程同时访问共享资源可能导致数据不一致。

异步编程则是基于任务的概念，通过 Async 和 Await 关键字，将耗时操作挂起，让主线程可以继续执行其他任务。异步编程并不一定创建新的线程，特别是对于 I/O 操作，它通常利用操作系统的异步 I/O 机制，在等待 I/O 完成时，线程可以被复用去执行其他任务。例如，在前面的 SimulateNetworkRequest 方法中，Task.Delay 操作并没有创建新的线程，而是使用了线程池中的线程来处理延迟，主线程在等待延迟完成时可以继续处理其他 UI 相关的任务。

当需要执行 CPU 密集型任务时，多线程可能是更好的选择，因为可以利用多核处理器的优势。但在处理 I/O 密集型任务时，异步编程通常更高效，因为它避免了线程创建和上下文切换的开销，并且能更好地利用操作系统资源。

例如，我们来看一个 CPU 密集型任务的多线程示例：

Imports System.Threading

Public Class Form1
    Private Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Dim thread As New Thread(AddressOf DoCPUIntensiveWork)
        thread.Start()
    End Sub

    Private Sub DoCPUIntensiveWork()
        Dim result As Long = 0
        For i As Long = 0 To 1000000000
            result += i
        Next
        MessageBox.Show($"计算结果: {result}")
    End Sub
End Class

在这个例子中，我们创建了一个新线程来执行 DoCPUIntensiveWork 方法，该方法进行了一个长时间的 CPU 计算。如果不使用多线程，这个计算会阻塞主线程，导致 UI 冻结。

而对于 I/O 密集型任务，如文件读取，异步编程会更合适：

Imports System.IO
Imports System.Threading.Tasks

Public Class Form1
    Private Async Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Dim content As String = Await ReadFileAsync("test.txt")
        TextBox1.Text = content
    End Sub

    Private Async Function ReadFileAsync(filePath As String) As Task(Of String)
        Return Await File.ReadAllTextAsync(filePath)
    End Function
End Class

在这个例子中，ReadFileAsync 方法使用 File.ReadAllTextAsync 进行异步文件读取，主线程在等待文件读取完成时不会被阻塞。

异步编程中的上下文切换

在异步编程中，上下文切换是一个重要的概念。当一个异步方法执行到 Await 时，当前的执行上下文会被保存，然后控制权交回给调用者。当异步操作完成后，Await 会恢复执行上下文，继续执行后续代码。

执行上下文包括当前线程的一些状态信息，如线程的文化信息、安全上下文等。在 Windows 窗体应用程序中，执行上下文还包括与 UI 相关的信息，如当前的控件状态等。

例如，在一个 Windows 窗体应用程序中，我们有如下代码：

Imports System.Threading.Tasks

Public Class Form1
    Private Async Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Dim currentUICulture As Globalization.CultureInfo = Thread.CurrentThread.CurrentUICulture
        TextBox1.Text = "开始异步操作"
        Await Task.Delay(2000)
        If Thread.CurrentThread.CurrentUICulture.Equals(currentUICulture) Then
            TextBox1.Text &= vbCrLf & "执行上下文保持一致"
        Else
            TextBox1.Text &= vbCrLf & "执行上下文发生变化"
        End If
    End Sub
End Class

在这个例子中，我们在异步操作开始前保存了当前线程的 UI 文化信息 currentUICulture。当异步操作 Task.Delay 完成后，我们检查当前线程的 UI 文化信息是否与保存的一致。通常情况下，由于 Await 会恢复执行上下文，所以上下文会保持一致。

然而，在某些情况下，执行上下文可能会发生变化。例如，当使用 ConfigureAwait(False) 时：

Imports System.Threading.Tasks

Public Class Form1
    Private Async Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Dim currentUICulture As Globalization.CultureInfo = Thread.CurrentThread.CurrentUICulture
        TextBox1.Text = "开始异步操作"
        Await Task.Delay(2000).ConfigureAwait(False)
        If Thread.CurrentThread.CurrentUICulture.Equals(currentUICulture) Then
            TextBox1.Text &= vbCrLf & "执行上下文保持一致"
        Else
            TextBox1.Text &= vbCrLf & "执行上下文发生变化"
        End If
    End Sub
End Class

ConfigureAwait(False) 表示当异步操作完成后，不恢复到原来的上下文（通常是 UI 上下文），而是使用线程池中的线程继续执行后续代码。这在某些场景下可以提高性能，特别是当后续操作不需要 UI 相关的上下文时，但也可能导致一些与上下文相关的问题，所以需要谨慎使用。

异步编程中的资源管理

在异步编程中，资源管理同样需要特别注意。特别是对于一些需要手动释放的资源，如文件句柄、数据库连接等。

例如，当我们异步读取文件时，需要确保文件在使用完毕后正确关闭：

Imports System.IO
Imports System.Threading.Tasks

Public Class Form1
    Private Async Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Using streamReader As New StreamReader("test.txt")
            Dim content As String = Await streamReader.ReadToEndAsync()
            TextBox1.Text = content
        End Using
    End Sub
End Class

在这个例子中，我们使用 Using 语句来确保 StreamReader 在使用完毕后正确关闭，即使在异步操作过程中发生异常，Using 语句也会保证资源的正确释放。

对于数据库连接，同样需要类似的处理。假设我们使用 ADO.NET 连接数据库并异步执行查询：

Imports System.Data.SqlClient
Imports System.Threading.Tasks

Public Class Form1
    Private Async Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Dim connectionString As String = "your_connection_string"
        Using connection As New SqlConnection(connectionString)
            Await connection.OpenAsync()
            Dim command As New SqlCommand("SELECT * FROM YourTable", connection)
            Using reader As SqlDataReader = Await command.ExecuteReaderAsync()
                While Await reader.ReadAsync()
                    '处理查询结果
                End While
            End Using
        End Using
    End Sub
End Class

在这个例子中，我们使用 Using 语句分别对 SqlConnection 和 SqlDataReader 进行资源管理，确保它们在使用完毕后正确关闭和释放资源。

复杂异步场景下的编程模式

在实际应用中，我们可能会遇到一些复杂的异步场景，需要更高级的异步编程模式来处理。

并行执行多个异步任务

有时我们需要并行执行多个异步任务，并等待所有任务完成后再进行下一步操作。在 Visual Basic 中，可以使用 Task.WhenAll 方法来实现。

例如，我们有多个模拟网络请求的方法，需要同时执行并等待所有请求完成：

Imports System.Threading.Tasks

Public Class Form1
    Private Async Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Dim task1 As Task(Of String) = SimulateNetworkRequest1()
        Dim task2 As Task(Of String) = SimulateNetworkRequest2()
        Dim task3 As Task(Of String) = SimulateNetworkRequest3()

        Dim tasks As Task() = {task1, task2, task3}
        Await Task.WhenAll(tasks)

        Dim results As String() = tasks.Select(Function(t) t.Result).ToArray()
        For Each result In results
            TextBox1.Text &= result & vbCrLf
        Next
    End Sub

    Private Async Function SimulateNetworkRequest1() As Task(Of String)
        Await Task.Delay(2000)
        Return "请求 1 的结果"
    End Function

    Private Async Function SimulateNetworkRequest2() As Task(Of String)
        Await Task.Delay(3000)
        Return "请求 2 的结果"
    End Function

    Private Async Function SimulateNetworkRequest3() As Task(Of String)
        Await Task.Delay(1000)
        Return "请求 3 的结果"
    End Function
End Class

在这个例子中，我们创建了三个异步任务 task1、task2 和 task3，然后使用 Task.WhenAll 等待所有任务完成。Task.WhenAll 接受一个任务数组，当所有任务都完成时，它才会返回。然后我们通过 tasks.Select(Function(t) t.Result).ToArray() 获取每个任务的结果。

等待任何一个任务完成

与 Task.WhenAll 相反，Task.WhenAny 用于等待任何一个任务完成。当其中一个任务完成后，Task.WhenAny 就会返回。

例如，我们有多个任务，其中一个任务可能会更快完成，我们只需要获取第一个完成的任务的结果：

Imports System.Threading.Tasks

Public Class Form1
    Private Async Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Dim task1 As Task(Of String) = SimulateNetworkRequest1()
        Dim task2 As Task(Of String) = SimulateNetworkRequest2()
        Dim task3 As Task(Of String) = SimulateNetworkRequest3()

        Dim completedTask As Task(Of String) = Await Task.WhenAny(task1, task2, task3)
        Dim result As String = completedTask.Result
        TextBox1.Text = result
    End Sub

    Private Async Function SimulateNetworkRequest1() As Task(Of String)
        Await Task.Delay(2000)
        Return "请求 1 的结果"
    End Function

    Private Async Function SimulateNetworkRequest2() As Task(Of String)
        Await Task.Delay(3000)
        Return "请求 2 的结果"
    End Function

    Private Async Function SimulateNetworkRequest3() As Task(Of String)
        Await Task.Delay(1000)
        Return "请求 3 的结果"
    End Function
End Class

在这个例子中，Task.WhenAny 会返回第一个完成的任务 completedTask，我们通过 completedTask.Result 获取该任务的结果。

异步循环

在处理需要异步执行的循环操作时，我们需要注意正确的实现方式。例如，假设我们要异步读取多个文件：

Imports System.IO
Imports System.Threading.Tasks

Public Class Form1
    Private Async Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Dim filePaths As String() = {"file1.txt", "file2.txt", "file3.txt"}
        For Each filePath In filePaths
            Dim content As String = Await ReadFileAsync(filePath)
            TextBox1.Text &= content & vbCrLf
        Next
    End Sub

    Private Async Function ReadFileAsync(filePath As String) As Task(Of String)
        Return Await File.ReadAllTextAsync(filePath)
    End Function
End Class

在这个例子中，我们通过 For Each 循环异步读取每个文件。如果需要并行读取文件，可以使用 Task.WhenAll 结合 Select 语句：

Imports System.IO
Imports System.Threading.Tasks

Public Class Form1
    Private Async Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Dim filePaths As String() = {"file1.txt", "file2.txt", "file3.txt"}
        Dim tasks As Task(Of String)() = filePaths.Select(Function(fp) ReadFileAsync(fp)).ToArray()
        Dim results As String() = Await Task.WhenAll(tasks)
        For Each result In results
            TextBox1.Text &= result & vbCrLf
        Next
    End Sub

    Private Async Function ReadFileAsync(filePath As String) As Task(Of String)
        Return Await File.ReadAllTextAsync(filePath)
    End Function
End Class

在这个版本中，我们通过 Select 语句为每个文件路径创建一个异步读取任务，然后使用 Task.WhenAll 等待所有任务完成，最后获取所有任务的结果。

异步编程在不同应用场景中的实践

桌面应用程序

在 Windows 桌面应用程序中，异步编程主要用于避免 UI 阻塞，提高用户体验。例如，在一个文件处理应用程序中，当用户点击“打开文件”按钮时，可能需要读取一个大文件，这是一个耗时操作。通过异步编程，可以在读取文件的同时保持 UI 的响应性。

Imports System.IO
Imports System.Threading.Tasks

Public Class Form1
    Private Async Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Dim openFileDialog As New OpenFileDialog()
        If openFileDialog.ShowDialog() = DialogResult.OK Then
            Dim filePath As String = openFileDialog.FileName
            Dim content As String = Await ReadFileAsync(filePath)
            RichTextBox1.Text = content
        End If
    End Sub

    Private Async Function ReadFileAsync(filePath As String) As Task(Of String)
        Return Await File.ReadAllTextAsync(filePath)
    End Function
End Class

在这个例子中，当用户选择文件后，ReadFileAsync 方法异步读取文件内容，主线程可以继续处理 UI 相关的操作，如更新 RichTextBox1 的文本。

网络应用程序

在网络应用程序中，异步编程常用于处理网络请求和响应。例如，在一个简单的 Web 客户端应用程序中，需要向服务器发送请求并获取响应。

Imports System.Net.Http
Imports System.Threading.Tasks

Public Class Form1
    Private Async Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click
        Using client As New HttpClient()
            Dim response As HttpResponseMessage = Await client.GetAsync("http://example.com/api/data")
            If response.IsSuccessStatusCode Then
                Dim content As String = Await response.Content.ReadAsStringAsync()
                TextBox1.Text = content
            Else
                MessageBox.Show($"请求失败，状态码: {response.StatusCode}")
            End If
        End Using
    End Sub
End Class

在这个例子中，client.GetAsync 方法异步发送 HTTP GET 请求，response.Content.ReadAsStringAsync 异步读取响应内容。这样可以避免在等待网络响应时阻塞主线程。

服务器端应用程序

在服务器端应用程序中，异步编程可以提高应用程序的并发处理能力。例如，在一个基于 ASP.NET 的 Web 应用程序中，处理 HTTP 请求时可能需要访问数据库、调用外部服务等耗时操作。

Imports System.Data.SqlClient
Imports System.Threading.Tasks
Imports System.Web.Http

Public Class ValuesController
    Inherits ApiController

    <HttpGet>
    Public Async Function Get() As Task(Of HttpResponseMessage)
        Dim connectionString As String = "your_connection_string"
        Using connection As New SqlConnection(connectionString)
            Await connection.OpenAsync()
            Dim command As New SqlCommand("SELECT * FROM YourTable", connection)
            Using reader As SqlDataReader = Await command.ExecuteReaderAsync()
                Dim results As New List(Of String)
                While Await reader.ReadAsync()
                    results.Add(reader(0).ToString())
                End While
                Return Request.CreateResponse(HttpStatusCode.OK, results)
            End Using
        End Using
    End Function
End Class

在这个 ASP.NET Web API 的例子中，数据库操作使用异步方法，这样在等待数据库响应时，服务器可以处理其他请求，提高了服务器的并发处理能力。

通过以上对 Visual Basic 异步编程模式的深入探究，我们了解了异步编程的基础概念、返回类型、异常处理、与多线程的关系、上下文切换、资源管理以及复杂异步场景下的编程模式和不同应用场景中的实践。掌握这些知识可以帮助开发者编写出更高效、更具响应性的应用程序。