برنامه‌نویسی غیرهمزمان یکی از مفاهیم مهم و پرکاربرد در توسعه نرم‌افزار است. برنامه‌نویسی غیرهمزمان به معنای این است که برنامه می‌تواند بدون انتظار برای پایان یافتن یک عملیات، به اجرای عملیات دیگر ادامه دهد. این روش به برنامه امکان می‌دهد که به صورت همزمان چندین کار را انجام دهد و منابع سیستم را بهینه‌تر استفاده کند. برنامه‌نویسی غیرهمزمان به ویژه در مواردی که برنامه باید با منابع خارجی مانند فایل، شبکه، دیتابیس و غیره ارتباط برقرار کند، بسیار مفید است. زیرا در این موارد برنامه ممکن است برای دریافت پاسخ از منبع خارجی مدت زمان زیادی صرف کند و در این حالت اگر برنامه به صورت همزمان اجرا شود، می‌تواند منابع سیستم را برای انجام کارهای دیگر استفاده کند و به کاربر تجربه بهتری ارائه دهد.

برای پیاده‌سازی برنامه‌نویسی غیرهمزمان در زبان C#، دو روش اصلی وجود دارد: استفاده از Thread ها و استفاده از کلمات کلیدی Async و Await. بو صورت ساده، Thread ها واحدهای کوچک از کد هستند که می‌توانند به صورت موازی و مستقل از هم اجرا شوند. در مقابل، Async و Await کلمات کلیدی هستند که به برنامه‌نویس امکان می‌دهند که به راحتی برنامه‌نویسی غیرهمزمان را با استفاده از Task ها پیاده‌سازی کند. Task ها شبیه به Thread ها هستند اما با این تفاوت که مدیریت و هماهنگی آن‌ها توسط کتابخانه‌های زبان C# انجام می‌شود.

در این مقاله قصد داریم تفاوت این دو روش را بررسی کنیم و نشان دهیم که در چه مواردی از هر یک از آن‌ها استفاده کنیم. برای این منظور ابتدا تعریف و ویژگی‌های Thread ها و Async و Await را شرح می‌دهیم و سپس نقاط تمایز اصلی بین آن‌ها را مورد بحث قرار می‌دهیم. در نهایت نتیجه‌گیری و توصیه‌هایی برای انتخاب روش مناسب برای برنامه‌نویسی غیرهمزمان ارائه می‌کنیم.

آشنایی با تردها

Thread ها یا ریسمان‌ها واحدهای کوچک از کد هستند که می‌توانند به صورت موازی و مستقل از هم اجرا شوند. Thread ها به برنامه امکان می‌دهند که چندین کار را به صورت همزمان انجام دهد و منابع سیستم را بهتر استفاده کند. برای مثال، اگر برنامه‌ای داریم که باید همزمان با کاربر ارتباط برقرار کند و محتویات یک فایل را بخواند، می‌توانیم از دو Thread مجزا برای انجام این دو کار استفاده کنیم. در این صورت برنامه نیازی ندارد که برای خواندن فایل از کاربر منتظر بماند و یا برای پاسخ به کاربر از خواندن فایل صرف نظر کند.

برای استفاده از Thread ها در زبان C#، می‌توانیم از کلاس‌ها و روش‌های موجود در فضای نام System.Threading استفاده کنیم. این فضای نام شامل کلاس Thread است که نماینده یک Thread در برنامه است. برای ایجاد یک Thread جدید، می‌توانیم یک شیء از کلاس Thread با پاس دادن یک شیء از نوع Delegate به سازنده آن ایجاد کنیم. Delegate یک شیء است که به یک متد اشاره می‌کند و مشخص می‌کند که Thread باید چه متدی را اجرا کند. برای شروع اجرای Thread، می‌توانیم از متد Start شیء Thread استفاده کنیم. برای متوقف کردن اجرای Thread، می‌توانیم از متد Abort شیء Thread استفاده کنیم. همچنین جهت انتظار برای پایان یافتن یک Thread، می‌توانیم از متد Join شیء Thread استفاده کنیم. برای مثال، کد زیر یک Thread جدید ایجاد می‌کند که متد PrintNumbers را اجرا می‌کند:

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Thread t = new Thread(new ThreadStart(PrintNumbers));
        t.Start();
        t.Join();
        Console.WriteLine("End of application.");
    }
    
    static void PrintNumbers()
    {
        for (int i = 1; i <= 10; i++)
        {
            Console.WriteLine(i);
        }
    }
}

خروجی این برنامه به شکل زیر است:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
End of application!

استفاده از Thread ها مزایایی مانند افزایش کارایی و بهبود تجربه کاربر را دارد. اما همچنین چالش‌هایی مانند مدیریت و هماهنگی Thread ها، رفع خطاها و ایجاد امنیت را نیز به همراه دارد. برای حل این چالش‌ها، می‌توانیم از ابزارهایی مانند Lock، Monitor، Mutex، Semaphore، AutoResetEvent و ManualResetEvent استفاده کنیم. این ابزارها به ما کمک می‌کنند که دسترسی به منابع مشترک بین Thread ها را کنترل کنیم و از بروز تداخل و ناهماهنگی جلوگیری کنیم. در بخش بعدی، می‌توانید با کلمات کلیدی Async و Await و نحوه استفاده از آن‌ها برای برنامه‌نویسی غیرهمزمان آشنا شوید.

آشنایی با Async و Await

Async و Await کلمات کلیدی هستند که در زبان C# از نسخه 5 به بعد اضافه شده‌اند. این کلمات کلیدی به برنامه‌نویس امکان می‌دهند که به راحتی برنامه‌نویسی غیرهمزمان را با استفاده از Task ها پیاده‌سازی کند. Task ها شبیه به Thread ها هستند اما با این تفاوت که مدیریت و هماهنگی آن‌ها توسط کتابخانه‌های زبان C# انجام می‌شود. Task ها به ما امکان می‌دهند که یک عملیات غیرهمزمان را به صورت یک شیء مدیریت کنیم و بتوانیم به آن ارجاع دهیم، از وضعیت آن باخبر شویم و از آن نتیجه بگیریم.

برای استفاده از Async و Await در زبان C#، می‌توانیم از کلاس‌ها و روش‌های موجود در فضای نام System.Threading.Tasks استفاده کنیم. این فضای نام شامل کلاس Task است که نماینده یک Task در برنامه است. برای ایجاد یک Task جدید، می‌توانیم از متد Run شیء Task استفاده کنیم. این متد یک شیء از نوع Delegate می‌گیرد و یک شیء از نوع Task برمی‌گرداند. برای اجرای یک Task، می‌توانیم از کلمه کلیدی Async در تعریف یک متد استفاده کنیم. این کلمه کلیدی به ما امکان می‌دهد که یک متد را به صورت غیرهمزمان تعریف کنیم و از کلمه کلیدی Await در بدنه آن استفاده کنیم. کلمه کلیدی Await به ما امکان می‌دهد که برای یک Task منتظر بمانیم و نتیجه آن را دریافت کنیم. برای مثال، کد زیر یک Task جدید ایجاد می‌کند که متد PrintNumbersAsync را اجرا می‌کند:

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static async Task Main(string[] args)
    {
        // ایجاد یک Task جدید با استفاده از متد Run
        Task t = Task.Run(PrintNumbersAsync);     
        await t;       
        Console.WriteLine("End of application!");
    }
    
    static async Task PrintNumbersAsync()
    {
        for (int i = 1; i <= 10; i++)
        {
            Console.WriteLine(i);
            
            // انتظار برای یک ثانیه
            await Task.Delay(1000);
        }
    }
}

خروجی این برنامه به شکل زیر است:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
End of application!

استفاده از Async و Await مزایایی مانند ساده‌سازی برنامه‌نویسی غیرهمزمان، افزایش خوانایی و نگهداری کد و بهبود عملکرد برنامه را دارد. اما همچنین مواردی وجود دارد که استفاده از Async و Await کافی نیست و نیاز به استفاده از Thread ها داریم. برای مثال، اگر برنامه‌ای داریم که باید یک عملیات سنگین و محاسباتی را انجام دهد که زمان زیادی طول می‌کشد و منابع سیستم را به شدت مصرف می‌کند، می‌توانیم از یک Thread جدید برای انجام این عملیات استفاده کنیم تا از بلوک شدن Thread اصلی برنامه جلوگیری کنیم. در بخش بعدی، می‌توانید با تفاوت اصلی بین Thread ها و Async و Await آشنا شوید.

تفاوت Thread و Async/Await

Thread ها و Async/Await دو روش مختلف برای پیاده‌سازی برنامه‌نویسی غیرهمزمان در زبان C# هستند. این دو روش در برخی جنبه‌ها شباهت و در برخی جنبه‌ها تفاوت دارند. در این بخش قصد داریم نقاط تمایز اصلی بین این دو روش را مورد بحث قرار دهیم. برای این منظور از جدول زیر برای مقایسه این دو روش استفاده می‌کنیم:

از جدول بالا می‌توانیم ببینیم که Thread ها و Async/Await در برخی جنبه‌ها مانند نحوه ایجاد، اجرا، متوقف کردن، انتظار و دریافت نتیجه تفاوت دارند. این تفاوت‌ها باعث می‌شوند که در چه مواردی از هر یک از این روش‌ها استفاده کنیم. به طور کلی، می‌توان گفت که اگر برنامه‌ای داریم که باید یک عملیات سنگین و محاسباتی را انجام دهد که زمان زیادی طول می‌کشد و منابع سیستم را به شدت مصرف می‌کند، می‌توانیم از یک Thread جدید برای انجام این عملیات استفاده کنیم تا از بلوک شدن Thread اصلی برنامه جلوگیری کنیم. اما اگر برنامه‌ای داریم که باید یک عملیات سبک و وابسته به منابع خارجی مانند فایل، شبکه، دیتابیس و غیره را انجام دهد که زمان زیادی طول می‌کشد اما منابع سیستم را به شدت مصرف نمی‌کند، می‌توانیم از کلمات کلیدی Async و Await برای انجام این عملیات استفاده کنیم تا از ساده‌سازی برنامه‌نویسی غیرهمزمان بهره ببریم.

در نتیجه، می‌توان گفت که Thread ها و Async/Await دو روش مختلف برای پیاده‌سازی برنامه‌نویسی غیرهمزمان در زبان C# هستند که در برخی جنبه‌ها شباهت و در برخی جنبه‌ها تفاوت دارند. این تفاوت‌ها باعث می‌شوند که در چه مواردی از هر یک از این روش‌ها استفاده کنیم. در بخش بعدی، می‌توانید با نتیجه‌گیری و توصیه‌هایی برای انتخاب روش مناسب برای برنامه‌نویسی غیرهمزمان آشنا شوید.

نتیجه‌گیری

در این مقاله با مفهوم برنامه‌نویسی غیرهمزمان و اهمیت آن در توسعه نرم‌افزار آشنا شدیم. همچنین با دو روش اصلی برای پیاده‌سازی برنامه‌نویسی غیرهمزمان در زبان C# یعنی استفاده از Thread ها و استفاده از کلمات کلیدی Async و Await آشنا شدیم. برای هر یک از این روش‌ها تعریف، ویژگی، مزایا و معایب را شرح دادیم و سپس نقاط تمایز اصلی بین آن‌ها را مورد بحث قرار دادیم. در نهایت به این نتیجه رسیدیم که این دو روش در برخی موارد با هم قابل جایگزینی هستند و در برخی موارد نیاز به استفاده از هر یک به طور مجزا دارند. برای انتخاب روش مناسب برای برنامه‌نویسی غیرهمزمان، باید به نوع عملیاتی که می‌خواهیم انجام دهیم، زمانی که آن عملیات طول می‌کشد، منابع سیستمی که آن عملیات مصرف می‌کند و همچنین سادگی و خوانایی کدی که می‌نویسیم توجه کنیم. به طور کلی، می‌توان گفت که اگر برنامه‌ای داریم که باید یک عملیات سنگین و محاسباتی را انجام دهد که زمان زیادی طول می‌کشد و منابع سیستم را به شدت مصرف می‌کند، می‌توانیم از یک Thread جدید برای انجام این عملیات استفاده کنیم تا از بلوک شدن Thread اصلی برنامه جلوگیری کنیم. اما اگر برنامه‌ای داریم که باید یک عملیات سبک و وابسته به منابع خارجی مانند فایل، شبکه، دیتابیس و غیره را انجام دهد که زمان زیادی طول می‌کشد اما منابع سیستم را به شدت مصرف نمی‌کند، می‌توانیم از کلمات کلیدی Async و Await برای انجام این عملیات استفاده کنیم تا از ساده‌سازی برنامه‌نویسی غیرهمزمان بهره ببریم.