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IO密集型与CPU密集型任务详解（C#示例）

一、基本概念

1. IO密集型任务

IO密集型任务(Input/Output Bound)是指执行过程中大部分时间都在等待输入/输出操作完成的任务。这些任务的特点是CPU计算量相对较小，主要时间花费在磁盘读写、网络通信、数据库访问等IO操作上。

特点：

• CPU利用率通常较低
• 性能瓶颈主要在IO设备速度
• 可通过异步编程或增加IO带宽来提高性能

2. CPU密集型任务

CPU密集型任务(CPU Bound)是指需要大量计算处理的任务，执行时间主要消耗在CPU计算上，而不是等待IO操作。

特点：

• CPU利用率高（接近100%）
• 性能瓶颈主要在CPU处理能力
• 可通过优化算法或增加CPU核心数来提高性能

二、C#示例

1. IO密集型示例

1.1 文件操作异步示例

using System;
using System.IO;
using System.Threading.Tasks;class Program
{static async Task ProcessFileAsync(){string filePath = "data.txt";try{// 异步写入文件Console.WriteLine("开始写入文件...");await File.WriteAllTextAsync(filePath, "这是异步写入的内容");Console.WriteLine("文件写入完成");// 异步读取文件Console.WriteLine("开始读取文件...");string content = await File.ReadAllTextAsync(filePath);Console.WriteLine($"文件内容: {content}");// 异步追加内容Console.WriteLine("开始追加内容...");await File.AppendAllTextAsync(filePath, "\n这是追加的内容");Console.WriteLine("内容追加完成");}catch (Exception ex){Console.WriteLine($"发生错误: {ex.Message}");}}static async Task Main(string[] args){await ProcessFileAsync();}
}

1.2 网络请求异步示例

using System;
using System.Net.Http;
using System.Threading.Tasks;class Program
{static async Task FetchDataAsync(){using var client = new HttpClient();try{// 异步GET请求Console.WriteLine("开始请求数据...");string response = await client.GetStringAsync("https://api.example.com/data");Console.WriteLine($"获取数据成功，长度: {response.Length}");// 异步POST请求var content = new StringContent("{\"name\":\"value\"}", System.Text.Encoding.UTF8, "application/json");Console.WriteLine("开始提交数据...");var responseMsg = await client.PostAsync("https://api.example.com/submit", content);Console.WriteLine($"提交数据完成，状态码: {responseMsg.StatusCode}");}catch (HttpRequestException ex){Console.WriteLine($"网络请求错误: {ex.Message}");}}static async Task Main(string[] args){await FetchDataAsync();}
}

1.3 数据库操作异步示例

using System;
using System.Data.SqlClient;
using System.Threading.Tasks;class Program
{static async Task QueryDatabaseAsync(){string connectionString = "Server=.;Database=TestDB;Integrated Security=True;";using var connection = new SqlConnection(connectionString);await connection.OpenAsync();// 异步查询using var command = new SqlCommand("SELECT * FROM Users WHERE Age > @age", connection);command.Parameters.AddWithValue("@age", 20);Console.WriteLine("开始数据库查询...");using var reader = await command.ExecuteReaderAsync();while (await reader.ReadAsync()){Console.WriteLine($"用户: {reader["Name"]}, 年龄: {reader["Age"]}");}Console.WriteLine("查询完成");}static async Task Main(string[] args){await QueryDatabaseAsync();}
}

2. CPU密集型示例

2.1 基本CPU密集型异步处理

using System;
using System.Threading.Tasks;class Program
{static int CalculatePrimes(int max){int count = 0;for (int i = 2; i <= max; i++){if (IsPrime(i)) count++;}return count;}static bool IsPrime(int number){if (number <= 1) return false;if (number == 2) return true;if (number % 2 == 0) return false;var boundary = (int)Math.Floor(Math.Sqrt(number));for (int i = 3; i <= boundary; i += 2){if (number % i == 0) return false;}return true;}static async Task Main(string[] args){Console.WriteLine("主线程开始");// 将CPU密集型任务放到后台线程var primeTask = Task.Run(() => CalculatePrimes(1000000));// 主线程可以继续做其他工作Console.WriteLine("主线程继续执行其他工作...");await Task.Delay(500); // 模拟其他工作// 等待计算结果int result = await primeTask;Console.WriteLine($"计算完成，素数数量: {result}");}
}

2.2 并行处理CPU密集型任务

using System;
using System.Linq;
using System.Threading.Tasks;class Program
{static bool IsPrime(int number){// 同上省略...}static async Task<int> ParallelCountPrimesAsync(int max, int partitions){// 分割工作范围var ranges = Enumerable.Range(0, partitions).Select(i => (start: i * (max / partitions) + 1, end: (i == partitions - 1) ? max : (i + 1) * (max / partitions))).ToList();// 并行执行任务var tasks = ranges.Select(range => Task.Run(() =>{int count = 0;for (int num = range.start; num <= range.end; num++){if (IsPrime(num)) count++;}return count;}));// 等待所有任务完成并汇总结果var results = await Task.WhenAll(tasks);return results.Sum();}static async Task Main(string[] args){Console.WriteLine("开始并行计算...");int result = await ParallelCountPrimesAsync(1000000, 4);Console.WriteLine($"计算完成，素数数量: {result}");}
}

2.3 进度报告和取消支持

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;class Program
{static async Task LongRunningCpuTaskAsync(IProgress<int> progress, CancellationToken cancellationToken){for (int i = 0; i <= 100; i++){// 检查是否取消cancellationToken.ThrowIfCancellationRequested();// 模拟CPU密集型工作await Task.Run(() => {// 模拟计算for (int j = 0; j < 1000000; j++){var _ = Math.Sqrt(j);}});// 报告进度progress?.Report(i);}}static async Task Main(string[] args){var progress = new Progress<int>(percent => Console.WriteLine($"进度: {percent}%"));var cts = new CancellationTokenSource();// 设置5秒后取消cts.CancelAfter(5000);try{Console.WriteLine("开始长时间CPU任务...");await LongRunningCpuTaskAsync(progress, cts.Token);Console.WriteLine("任务完成");}catch (OperationCanceledException){Console.WriteLine("任务已取消");}}
}

三、处理策略

1. IO密集型任务优化

• 使用异步编程模型（async/await）
• 增加IO带宽（更快磁盘、网络）
• 批量处理减少IO次数
• 使用缓存减少IO操作

2. CPU密集型任务优化

• 多线程/并行处理（Parallel类、Task.Run）
• 优化算法复杂度
• 使用更高效的库（如Math.NET Numerics）
• 使用SIMD指令（Vector）

混合示例（并行处理CPU密集型任务）

using System;
using System.Threading.Tasks;class Program
{static bool IsPrime(int number){// 同上省略...}static async Task Main(string[] args){// 并行计算素数（CPU密集型）int max = 1000000;int segmentSize = max / 4;var tasks = new Task<int>[4];for (int i = 0; i < 4; i++){int start = i * segmentSize + 1;int end = (i == 3) ? max : (i + 1) * segmentSize;tasks[i] = Task.Run(() => {int count = 0;for (int num = start; num <= end; num++){if (IsPrime(num)) count++;}return count;});}await Task.WhenAll(tasks);int totalPrimes = 0;foreach (var task in tasks){totalPrimes += task.Result;}Console.WriteLine($"并行计算100万以内素数总数: {totalPrimes}");}
}

using System;
using System.IO;
using System.Threading.Tasks;class Program
{static async Task ProcessDataAsync(string inputFile, string outputFile){// IO密集型：异步读取文件Console.WriteLine("开始读取文件...");string content = await File.ReadAllTextAsync(inputFile);// CPU密集型：处理数据（转移到后台线程）Console.WriteLine("开始处理数据...");string processedContent = await Task.Run(() => ProcessContent(content));// IO密集型：异步写入结果Console.WriteLine("开始写入结果...");await File.WriteAllTextAsync(outputFile, processedContent);Console.WriteLine("处理完成");}static string ProcessContent(string content){// 模拟CPU密集型处理var charArray = content.ToCharArray();for (int i = 0; i < charArray.Length; i++){if (i % 2 == 0){charArray[i] = char.ToUpper(charArray[i]);}else{charArray[i] = char.ToLower(charArray[i]);}}return new string(charArray);}static async Task Main(string[] args){await ProcessDataAsync("input.txt", "output.txt");}
}

四、总结

1. IO密集型：主要时间花费在等待IO操作，应关注IO优化和异步编程
2. CPU密集型：主要时间花费在计算，应关注算法优化和多核利用
3. 实际应用：很多任务是混合型的，需要根据瓶颈采取相应策略
4. C#特性：充分利用async/await、Task、Parallel等特性处理不同类型任务