Quando devo usar métodos assíncronos ou síncronos em controllers (índice, pesquisa, deletar, criar) de aplicações ASP.NET MVC?
A recomendação geral de uso de assincronismo é quando a operação demora pelo menos 50ms. Menos do que isso não compensa. Na verdade tem que medir a sua situação, tem casos que até mais pode não compensar. E isso pode variar ao longo do tempo com atualizações diversas.
O assincronismo é útil para melhorar a experiência do usuário quando há alguma operação que demanda muito tempo para ser executada. Então um cliente pode continuar disponível quando ele pede algo para um serviço que demora. Ele não é usado para tornar algo mais rápido.
Se considerar que assincronismo raramente dá ganho em operações que exigem só processamento, sem IO, então é raro ser útil em algum lugar, a não ser que configure o servidor HTTP para não aceitar requisições demais e sobrecarregar o servidor, ou as operações de IO sejam muito longas, ou pelo menos você não tenha muito controle do tempo que demorará.
Haverá ganho de escala em fazer alguma operação de IO longa na action.
Posso perder desempenho?
Sim, o assincronismo não é grátis. Sempre que usá-lo terá uma perda de performance, especialmente se usar thread. O ganho que ele dá é a execução concorrente, então você pode atender mais requisições. A requisição específica não ficará mais rápida em hipótese alguma.
Então tenha certeza que haverá algum ganho antes de usar este mecanismo.
Em quais situações devo usar um ou outro, poderiam dar exemplos?
Acesso a banco de dados, sistema de arquivos, serviços diversos do servidor que faça IO, serviços externos ao servidor, especialmente pela internet, enfim qualquer IO que seja longo.
O assincronismo de IO pode liberar uma capacidade de atender mais requisições se feito adequadamente quando há ganho.
Se tenho muitos usuários fazendo consulta em uma única página async com requisição ao banco de dados, isso não geraria uma fila grande dependendo do tempo de execução da aplicação? Como isso é gerenciado para não impedir as próximas de executarem?
Cada requisição à página é independente e isso já é algo bom para melhorar a escalabilidade.
A fila será gerada de acordo com a configuração do servidor HTTP. De que adianta não ter a fila no servidor HTTP e tê-la na sua aplicação ou na consulta ao banco de dados?
O uso de métodos assíncronos evita ataques DDoS?
Tem casos que pode facilitar o DDoS. Aí é uma questão de saber fazer de forma que não cause mais problemas que soluções.
Se o cliente direto da sua aplicação é um servidor HTTP e a aplicação deixa ele atender mais requisições assincronamente, pode atolar a aplicação ou o banco de dados e acabar parando tudo. O problema é que o servidor HTTP é o seu cliente aí e ele consegue pedir muito, ao contrário de um usuário normal. Quando o cliente pode pedir mais que o serviço pode atender é um convite para o desastre.
O mesmo vale para qualquer outro recurso que faça IO e seja menos capaz que o servidor HTTP. Isso você tem que avaliar caso a caso. Claro que tem algumas formas de escalar o IO para atender toda demanda. Precisa avaliar se compensa ou é melhor ir por um caminho mais simples. Não tem regra única.
O aumento de escala faz com que o DDoS demore mais ou até seja evitado em ataques "fracos". Mas depois de um certo ponto é possível que o ganho de escala piore a situação porque transfere o problema para um local onde é mais difícil fazer throttling.
Informações adicionais
Fazer a página no cliente (navegador) ser assíncrona é interessante em muitas situações porque permite que a página continue funcionando normalmente enquanto espera o retorno de uma requisição ao servidor. Mas você não pode garantir que a requisição será feita assincronamente. Vale sempre "a lei" que você não pode confiar no cliente que você não tem total controle.
Estou falando só do ASP.NET MVC. Pode haver outras restrições em função das outras tecnologias envolvidas na operação.
Se quiser se aprofundar tem um artigo na MSDN Magazine.
Documentação.
Coloquei no GitHub para referência futura.