C#异步调用外部程序的实现方法

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简介：文章主要讲述了在C#中如何异步地执行外部程序调用，并详细解释了异步编程的基本概念、使用 Process 类异步启动外部进程的方法、如何实现非阻塞的等待进程结束、读取外部进程的标准输出和错误信息，以及使用 ContinueWith 方法执行回调。这些技术点使得开发者可以不阻塞主线程，高效地与外部程序交互，提高程序性能和用户体验。

1. 异步编程基本概念

1.1 同步与异步编程概述

在计算机科学中，编程模型主要分为同步和异步两种方式。同步编程模型中，程序按照代码的顺序依次执行，每个操作必须等待前一个操作完成后才能进行。这在处理I/O密集型任务时会导致CPU资源浪费，因为CPU需要空闲等待I/O操作的完成。

异步编程则允许程序在等待一个长时间运行的任务（如I/O操作）时，继续执行其他任务。这种方式可以显著提高应用程序的性能，特别是在高并发的环境下，能有效利用资源，提升用户体验。

1.2 异步编程的关键优势

异步编程的主要优势在于其非阻塞特性，这允许应用程序同时处理多个任务，提高了效率和响应速度。这对于客户端应用程序尤为重要，可以减少用户等待时间，使界面保持响应。

此外，异步编程在服务器端同样重要，尤其是在网络服务和大规模数据处理方面，它允许服务器有效处理成千上万的并发连接，极大地提升了系统的吞吐量和性能。

1.3 异步编程在现代编程中的应用

随着编程技术的发展，异步编程已经成为许多现代编程语言的核心特性之一。在JavaScript中，异步操作是通过回调函数、Promises和async/await实现的；在C#和Python中，通过async/await关键字来简化异步操作。这些特性使得编写异步代码更加直观、简洁，从而推动了异步编程技术的普及和应用。

通过理解异步编程的基本概念，我们为深入探讨 async/await 的使用以及进程管理打下了坚实的基础。接下来，我们将探讨 async/await 关键字的原理与用途，以及如何在C#等语言中应用这些现代编程技巧。

2. `async/await` 关键字

2.1 `async/await` 的原理与用途

2.1.1 理解 `async` 和 `await` 的定义

async 和 await 是C#中用于编写异步代码的关键字。它们在.NET 4.5版本中引入，极大地简化了异步编程的复杂性。 async 关键字用于声明一个异步方法，而 await 关键字则用于等待一个异步操作完成，不会阻塞当前线程。

异步方法通常会返回一个 Task 或 Task 类型，表示一个异步操作的结果。如果返回 Task ，则表示该方法不包含返回值；如果返回 Task ，则表示方法包含返回值， T 为返回值类型。使用 async 标记的方法，编译器会自动转换为状态机，以支持异步流程的控制。

2.1.2 `async/await` 与异步编程的关系

异步编程允许程序在等待长时间运行的任务（如I/O操作）时继续执行其他任务，而不是在单一线程上顺序执行，这样可以提高应用程序的响应性和性能。 async/await 提供了一种更直观的方式来编写异步代码，使得代码的可读性和可维护性更强。

使用 async/await 时，可以像编写同步代码一样编写异步代码。这意味着开发人员不需要处理复杂的回调或者 IAsyncEnumerable 等类型。所有这些都由编译器在背后自动处理，开发者只需关注业务逻辑即可。

2.2 `async/await` 在C#中的应用

2.2.1 如何在C#中声明异步方法

在C#中声明一个异步方法非常简单。首先，你需要在方法声明前加上 async 关键字，并确保方法的返回类型是 Task 或 Task 。以下是一个简单的异步方法示例：

public async Task MyAsyncMethod(){ // 此方法内部可以使用await等待异步操作。}

如果方法需要返回一个值，则可以使用 Task ：

public async Task GetSumAsync(int a, int b){ // 模拟长时间运行的计算 await Task.Delay(1000); return a + b;}

在上述代码中， Task.Delay 是一个异步操作，它将返回一个 Task 对象。使用 await 关键字可以暂停当前方法，直到 Task 完成，然后再继续执行。

2.2.2 异步方法中的异常处理和取消操作

在异步方法中处理异常非常重要，因为异常处理不当可能导致资源泄露或者不可预测的行为。在使用 async/await 时，可以像处理同步代码一样使用 try/catch 块：

public async Task PerformOperationAsync(){ try { // 执行一个异步操作 await SomeLongRunningProcess(); } catch (Exception ex) { // 异常处理逻辑 }}

取消操作通常会用到 CancellationToken 。异步方法可以接受一个 CancellationToken 参数，以支持取消操作：

public async Task PerformOperationAsync(CancellationToken token){ try { // 使用token来检查操作是否被取消 token.ThrowIfCancellationRequested(); await SomeLongRunningProcess(); } catch (OperationCanceledException) { // 操作被取消的处理逻辑 } catch (Exception ex) { // 其他异常的处理逻辑 }}

CancellationToken 提供了取消操作的能力，且在异常处理中可以明确区分是由于操作被取消还是其他原因导致的异常。

3. `Process` 类使用方法

Process 类是.NET框架提供的一个用于管理操作系统进程资源的类。开发者可以利用 Process 类创建和控制本地和远程进程，并且能够检索进程相关信息。本章将详细介绍 Process 类在管理进程生命周期和执行进程间通信中的应用。

3.1 `Process` 类概述

3.1.1 `Process` 类的作用与基本使用

Process 类主要作用是提供对进程资源的访问和管理。开发者可以使用 Process 类来启动新的进程，终止正在运行的进程，获取系统进程列表，以及读取和写入进程的标准输入输出。

基本使用方法包括创建 Process 对象、配置 ProcessStartInfo 属性以及启动和终止进程。例如，在C#中，通过 Process.Start() 方法可以快速启动一个新进程：

Process process = Process.Start(\"notepad.exe\");

在更复杂的场景中，我们可能需要更多控制，这时就可以利用 ProcessStartInfo 类来设置启动参数：

ProcessStartInfo startInfo = new ProcessStartInfo();startInfo.FileName = \"notepad.exe\";startInfo.Arguments = \"sample.txt\";startInfo.UseShellExecute = false;startInfo.RedirectStandardInput = true;startInfo.RedirectStandardOutput = true;Process process = new Process();process.StartInfo = startInfo;process.Start();

3.1.2 创建和启动进程

创建进程通常需要实例化一个 Process 对象，并设置其 ProcessStartInfo 属性。然后调用 Start() 方法来启动进程。此外，我们还可以在 ProcessStartInfo 中设置各种启动参数，如文件名、命令行参数、工作目录等。

下面是一个启动记事本程序，并打开一个指定文本文件的示例：

ProcessStartInfo startInfo = new ProcessStartInfo();startInfo.FileName = \"notepad.exe\";startInfo.Arguments = \"sample.txt\"; // 这是命令行参数Process process = new Process();process.StartInfo = startInfo;process.Start();

启动进程后，我们还可以对进程进行监控和管理。例如，读取输出信息、设置超时时间、强制终止进程等。

3.2 管理进程的生命周期

3.2.1 监控进程状态

Process 类提供了多种属性和方法来监控进程状态，例如：

Id : 获取进程的唯一标识符。
ProcessName : 获取进程名称。
StartTime : 获取进程启动的时间。
ExitTime : 获取进程退出的时间。

我们还可以通过 WaitForExit() 方法等待进程结束，从而监控进程是否完成运行：

process.WaitForExit();

3.2.2 强制终止进程

在某些情况下，可能需要强制终止正在运行的进程，这时可以使用 Kill() 方法：

process.Kill();

需要注意的是， Kill() 方法会立即停止进程及其所有子进程，并且不会执行任何清理操作。因此，调用 Kill() 之前应先尝试使用 CloseMainWindow() 方法来安全地关闭进程：

if (!process.CloseMainWindow()){ process.Kill();}

CloseMainWindow() 会向进程发送关闭信号，与用户点击窗口的关闭按钮类似。如果进程不响应关闭信号，则 CloseMainWindow() 将返回 false ，这时我们可以调用 Kill() 来强制结束进程。

Process 类为.NET开发者提供了一个强大的工具，来管理在操作系统上运行的进程资源。无论是创建新进程，还是监控进程状态，或是强制终止进程，通过 Process 类，开发者都可以高效地实现这些功能。在接下来的章节中，我们将进一步探讨如何异步启动外部进程以及如何安全地管理这些进程的生命周期。

4. 异步启动外部进程

4.1 使用 `Process` 类异步启动进程

4.1.1 `ProcessStartInfo` 类的使用

在.NET中， ProcessStartInfo 类是启动外部进程的基石。它包含了一组属性，用于定义如何启动进程，其中包括可执行文件的路径、命令行参数、工作目录以及是否重定向标准输入输出等。要异步启动一个进程，首先需要创建一个 ProcessStartInfo 实例，并为其配置相应的参数。

var startInfo = new ProcessStartInfo(\"notepad.exe\");startInfo.UseShellExecute = false;startInfo.RedirectStandardOutput = true; // 重定向标准输出，以便异步读取startInfo.CreateNoWindow = true; // 不显示新窗口

4.1.2 设置异步启动参数

为了异步启动进程，我们可以使用 Process 类的 Start() 方法。当调用 Start() 方法时，它会立即返回，而进程会在后台继续运行。这对于不需要立即同步等待进程结束的情况特别有用。通过设置 ProcessStartInfo 的相关属性，我们可以控制进程的行为并实现异步通信。

var process = new Process();process.StartInfo = startInfo;process.Start();

4.2 管理异步进程的资源

4.2.1 资源清理和异常管理

在异步启动外部进程时，合理管理资源是避免内存泄漏的关键。通常，这意味着必须在进程使用完毕后释放与之相关的资源。这可以通过使用 using 语句块来确保 Process 对象能够被正确地处置。此外，还必须对可能出现的异常进行捕获和处理。

using (var process = new Process()){ process.StartInfo = startInfo; process.Start(); // 异步等待进程结束的逻辑}// 此处不需要显式调用 `process.Close()` 或 `process.Dispose()`，因为 `using` 语句会自动处理。

4.2.2 避免资源泄露的策略

处理资源泄露的一个有效策略是设置超时，以便在进程运行时间过长时能够自动终止。此外，跟踪和管理每个启动的进程实例也是避免资源泄露的一个好方法。这可以在一个静态的或单例的资源管理器中实现，用于监控所有活跃的进程，并在适当的时候进行清理。

class ProcessResourceManager{ private static List activeProcesses = new List(); public static void AddProcess(Process p) { activeProcesses.Add(p); } public static void RemoveProcess(Process p) { activeProcesses.Remove(p); } public static void TerminateAll() { foreach (var process in activeProcesses) { process.Kill(); } }}

使用这个 ProcessResourceManager 类，可以确保在应用关闭时或者在检测到潜在的资源泄露时，能够及时清理所有的进程实例。

以上章节介绍了如何使用 Process 类异步启动外部进程，并讨论了与之相关的资源管理和异常处理策略。通过 ProcessStartInfo 类的合理配置和 Process 类的异步使用，可以有效地提升应用程序的性能和用户体验。此外，利用专门的资源管理器来监控和管理进程，可以进一步确保资源的合理使用，从而防止可能的资源泄露问题。

5. 实现异步等待进程结束

5.1 同步与异步等待的区别

5.1.1 同步等待的缺点

在许多传统的编程模式中，进程的启动和管理通常是同步的。这意味着当程序启动一个进程时，它会等待该进程结束，然后继续执行后续代码。尽管这种方法简单直接，但它有几个缺点。同步等待通常会导致程序的执行线程阻塞，直到外部进程结束，这在多线程环境中可能会导致性能问题。如果外部进程需要较长时间完成，它会拖慢整个应用程序的响应时间，从而影响用户体验。

5.1.2 异步等待的优势

与同步等待相反，异步等待不会阻塞当前的执行线程。使用异步等待可以让程序继续执行其他任务，或响应用户的输入，而不需要等待外部进程结束。这种方式可以让程序在等待外部进程完成时依然保持响应，提高程序的性能和用户体验。异步等待特别适用于处理那些耗时较长的外部进程，如文件处理、数据同步等。异步编程也支持更复杂的并发模式，能够更有效地利用系统资源。

5.2 使用 `async/await` 等待进程结束

5.2.1 编写异步等待进程的方法

在.NET 中，可以使用 async/await 模式来异步等待进程结束。以下是一个示例，展示了如何使用 async/await 来启动一个进程，并等待它结束而不阻塞主线程：

using System;using System.Diagnostics;using System.Threading.Tasks;class Program{ static async Task Main(string[] args) { // 创建进程实例 Process process = new Process(); process.StartInfo.FileName = \"外部进程命令\"; // 设置外部进程的可执行文件名或命令 process.StartInfo.Arguments = \"参数\"; // 设置外部进程的参数 process.StartInfo.RedirectStandardOutput = true; // 重定向标准输出，以便于读取 process.StartInfo.UseShellExecute = false; // 必须设置为false，以便于重定向 process.StartInfo.CreateNoWindow = true; // 不创建新窗口 // 启动进程 process.Start(); // 异步等待进程结束 await Task.Run(() => process.WaitForExit()); // 进程结束后的逻辑 Console.WriteLine(\"进程已结束。\"); }}

在这个示例中， Process 类用于创建和启动一个进程， RedirectStandardOutput 属性设置为 true 允许我们读取进程的标准输出。调用 process.WaitForExit() 方法时，我们使用 Task.Run 来在另一个线程上执行，这样不会阻塞当前线程。 await 关键字则让当前方法在等待进程结束时能够返回，并且当进程结束时继续执行后续代码。

5.2.2 处理进程结束后的逻辑

进程结束后，通常需要处理一些逻辑，比如读取进程的标准输出、检查进程退出代码等。在 async/await 模式下，可以在 await 之后直接添加代码来处理这些逻辑。下面是处理标准输出和检查退出代码的一个例子：

// 继续上面的Main方法代码// 进程结束后的逻辑string output = process.StandardOutput.ReadToEnd();Console.WriteLine(\"进程输出：\");Console.WriteLine(output);// 检查进程退出代码int exitCode = process.ExitCode;if (exitCode == 0){ Console.WriteLine(\"进程成功结束。\");}else{ Console.WriteLine(\"进程异常结束，退出代码：\" + exitCode);}

在这个部分， process.StandardOutput.ReadToEnd() 用于读取进程的标准输出，并输出到控制台。通过 process.ExitCode 可以获取进程的退出代码，它是一个整数，通常0表示成功。根据退出代码可以判断进程是否正常结束，并执行相应的错误处理逻辑。通过这种方式，程序能够在不阻塞主执行线程的情况下，处理异步运行的外部进程。

6. 读取进程标准输出和错误信息

在执行外部进程时，获取进程的输出和错误信息是至关重要的一步。这不仅可以帮助我们了解进程的执行情况，还能在调试时提供关键信息。在异步编程模式下，通过 Process 类提供的 StandardOutput 和 StandardError 属性，可以方便地读取这些信息。

6.1 读取标准输出信息

6.1.1 使用 `Process.StandardOutput` 读取数据

标准输出是外部进程向控制台或文件写入信息的通道。我们可以使用 Process.StandardOutput 属性来访问它。这个属性返回一个 StreamReader 对象，通过它可以读取输出流中的文本。

下面是一个使用C#中的 Process 类读取外部进程标准输出的例子：

using System;using System.Diagnostics;using System.Threading.Tasks;class Program{ static async Task Main(string[] args) { var process = new Process { StartInfo = new ProcessStartInfo { FileName = \"your_external_process.exe\", RedirectStandardOutput = true, UseShellExecute = false, CreateNoWindow = true }, EnableRaisingEvents = true }; process.OutputDataReceived += (sender, e) => { if (e.Data != null) { Console.WriteLine(e.Data); // 将读取到的输出打印到控制台 } }; process.Start(); process.BeginOutputReadLine(); // 开始异步读取输出流中的行 await Task.Run(() => { process.WaitForExit(); // 等待进程结束 }); }}

6.1.2 处理和解析标准输出

标准输出中包含的信息可能非常多，因此在读取时，通常需要对这些信息进行适当的处理和解析。下面是一个将读取到的输出分割成多行，并进行处理的例子：

process.OutputDataReceived += (sender, e) =>{ if (e.Data != null) { var lines = e.Data.Split(\'\\n\'); // 按行分割输出 foreach (var line in lines) { // 进一步处理每一行数据 Console.WriteLine($\"Line read: {line}\"); } }};

6.2 读取错误输出信息

6.2.1 使用 `Process.StandardError` 读取数据

标准错误输出与标准输出类似，只不过它用于输出错误信息。 Process.StandardError 属性同样返回一个 StreamReader 对象，可以用来读取错误信息。

错误输出读取的代码逻辑与标准输出类似，只是数据来源不同。下面是一个示例代码：

process.ErrorDataReceived += (sender, e) =>{ if (e.Data != null) { Console.Error.WriteLine($\"Error: {e.Data}\"); // 将错误信息输出到标准错误流 }};

6.2.2 错误处理的最佳实践

处理错误输出时，应该考虑异常处理、日志记录和用户提示。如果错误输出的量很大，可能需要实现缓冲策略，并在适当的时候刷新缓冲区。此外，对于一些可恢复的错误，程序应该提供恢复选项或进行必要的重试逻辑。

结合异步编程，我们可以将错误读取和处理逻辑放到异步方法中，如下所示：

process.BeginErrorReadLine(); // 开始异步读取错误输出流中的行process.Exited += async (sender, e) =>{ await Task.Delay(1000); // 给子进程一些时间以确保它已经输出了所有的错误信息 // 执行一些后续处理逻辑，如记录错误、清理资源等 process.Close();};

通过上述方法，我们可以有效地读取和管理外部进程的标准输出和错误信息，确保程序的健壮性和用户的良好体验。