c#多线程总结（纯干货）

线程基础

创建线程

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暂停线程

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工作原理

　　当程序运行时,会创建一个线程,该线程会执行PrintNumbersWithDelay方法中的代码。然后会立即执行PrintNumbers方法。关键之处在于在PrintNumbersWithDelay方法中加入了Thread.Sleep方法调用。这将导致线程执行该代码时,在打印任何数字之前会等待指定的时间(本例中是2秒钟),当线程处于休眠状态时,它会占用尽可能少的CPU时间。结果我们4·会发现通常后运行的PrintNumbers方法中的代码会比独立线程中的PrintNumbersWithDelay方法中的代码先执行。

线程等待

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工作原理

　　当程序运行时,启动了一个耗时较长的线程来打印数字,打印每个数字前要等待两秒。但我们在主程序中调用了t.Join方法,该方法允许我们等待直到线程t完成。当线程t完成 "时,主程序会继续运行。借助该技术可以实现在两个线程间同步执行步骤。第一个线程会等待另一个线程完成后再继续执行。第一个线程等待时是处于阻塞状态(正如暂停线程中调用 Thread.Sleep方法一样),

终止线程

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工作原理

　　当主程序和单独的数字打印线程运行时,我们等待6秒后对线程调用了t.Abort方法。这给线程注入了ThreadAbortException方法,导致线程被终结。这非常危险,因为该异常可以在任何时刻发生并可能彻底摧毁应用程序。另外,使用该技术也不一定总能终止线程。目-标线程可以通过处理该异常并调用Thread.ResetAbort方法来拒绝被终止。因此并不推荐使用,Abort方法来关闭线程。可优先使用一些其他方法,比如提供一个CancellationToken方法来,取消线程的执行。

监测线程状态

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工作原理

　　当主程序启动时定义了两个不同的线程。一个将被终止,另一个则会成功完成运行。线,.程状态位于Thread对象的ThreadState属性中。ThreadState属性是一个C#枚举对象。刚开始线程状态为ThreadState.Unstarted,然后我们启动线程,并估计在一个周期为30次迭代的,区间中,线程状态会从ThreadState.Running变为ThreadState. WaitSleepJoin。

请注意始终可以通过Thread.CurrentThread静态属性获得当前Thread对象。

　　如果实际情况与以上不符,请增加迭代次数。终止第一个线程后,会看到现在该线程状态为ThreadState.Aborted,程序也有可能会打印出ThreadState.AbortRequested状态。这充分说明了同步两个线程的复杂性。请记住不要在程序中使用线程终止。我在这里使用它只是为 ,了展示相应的线程状态。

　　最后可以看到第二个线程t2成功完成并且状态为ThreadState.Stopped。另外还有一些其,他的线程状态,但是要么已经被弃用,要么没有我们实验过的几种状态有用。

线程优先级

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工作原理

　　当主程序启动时定义了两个不同的线程。第一个线程优先级为ThreadPriority.Highest,即具有最高优先级。第二个线程优先级为ThreadPriority.Lowest,即具有最低优先级。我们先, ,打印出主线程的优先级值,然后在所有可用的CPU核心上启动这两个线程。如果拥有一个1以上的计算核心,将在两秒钟内得到初步结果。最高优先级的线程通常会计算更多的迭代.但是两个值应该很接近。然而,如果有其他程序占用了所有的CPU核心运行负载,结果则会截然不同。

　　为了模拟该情形,我们设置了ProcessorAffinity选项,让操作系统将所有的线程运,行在单个CPU核心(第一个核心)上。现在结果完全不同,并且计算耗时将超过2秒钟。 .这是因为CPU核心大部分时间在运行高优先级的线程,只留给剩下的线程很少的时间来,运行。

　　请注意这是操作系统使用线程优先级的一个演示。通常你无需使用这种行为编写程序。

前台线程和后台线程

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工作原理

　　当主程序启动时定义了两个不同的线程。默认情况下,显式创建的线程是前台线程。通过手动的设置threadTwo对象的IsBackground属性为ture来创建一个后台线程。通过配置来实现第一个线程会比第二个线程先完成。然后运行程序。

　　第一个线程完成后,程序结束并且后台线程被终结。这是前台线程与后台线程的主要区,别:进程会等待所有的前台线程完成后再结束工作,但是如果只剩下后台线程,则会直接结束工作。

　　一个重要注意事项是如果程序定义了一个不会完成的前台线程,主程序并不会正常结束。

向线程传递参数

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工作原理

　　当主程序启动时,首先创建了ThreadSample类的一个对象,并提供了一个迭代次数。然后使用该对象的CountNumbers方法启动线程。该方法运行在另一个线程中,但是使用数 ,字10,该数字是通过ThreadSample对象的构造函数传入的。因此,我们只是使用相同的间接方式将该迭代次数传递给另一个线程。

　　另一种传递数据的方式是使用Thread.Start方法。该方法会接收一个对象,并将该对象,传递给线程。为了应用该方法,在线程中启动的方法必须接受object类型的单个参数。在创建threadTwo线程时演示了该方式。我们将8作为一个对象传递给了Count方法,然后 Count方法被转换为整型。

　　接下来的方式是使用lambda表达式。lambda表达式定义了一个不属于任何类的方法。我们创建了一个方法,该方法使用需要的参数调用了另一个方法,并在另一个线程中运行该 ,方法。当启动threadThree线程时,打印出了12个数字,这正是我们通过lambda表达式传递,的数字。

　　使用lambda表达式引用另一个C#对象的方式被称为闭包。当在lambda表达式中使用任何局部变量时, C#会生成一个类,并将该变量作为该类的一个属性。所以实际上该方式与 threadOne线程中使用的一样,但是我们无须定义该类, C#编译器会自动帮我们实现。

　　这可能会导致几个问题。例如,如果在多个lambda表达式中使用相同的变量,它们会共享该变量值。在前一个例子中演示了这种情况。当启动threadFour和threadFive线程时,.它们都会打印20,因为在这两个线程启动之前变量被修改为20。

使用C#中的lock关键字

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工作原理

　　当主程序启动时,创建了一个Counter类的对象。该类定义了一个可以递增和递减的简,单的计数器。然后我们启动了三个线程。这三个线程共享同一个counter实例,在一个周期中进行一次递增和一次递减。这将导致不确定的结果。如果运行程序多次,则会打印出多个不同的计数器值。结果可能是0,但大多数情况下则不是0.

　　这是因为Counter类并不是线程安全的。当多个线程同时访问counter对象时,第一个线程得到的counter值10并增加为11,然后第二个线程得到的值是11并增加为12,第一个线程得到counter值12,但是递减操作发生前,第二个线程得到的counter值也是12,然后 , 第一个线程将12递减为11并保存回counter中,同时第二个线程进行了同样的操作。结果,我们进行了两次递增操作但是只有一次递减操作,这显然不对。这种情形被称为竞争条件, (race condition),竞争条件是多线程环境中非常常见的导致错误的原因。

　　为了确保不会发生以上情形,必须保证当有线程操作counter对象时,所有其他线程必须等待直到当前线程完成操作。我们可以使用lock关键字来实现这种行为。如果锁定了一个对象,需要访问该对象的所有其他线程则会处于阻塞状态,并等待直到该对象解除锁定。这,可能会导致严重的性能问题,在第2章中将会进一步学习该知识点。

使用Monitor类锁定资源

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工作原理

　　先看看LockTooMuch方法。在该方法中我们先锁定了第一个对象,等待一秒后锁定了 ,第二个对象。然后在另一个线程中启动该方法。最后尝试在主线程中先后锁定第二个和第一个对象。

　　如果像该示例的第二部分一样使用lock关键字,将会造成死锁。第一个线程保持对, lock1对象的锁定,等待直到lock2对象被释放。主线程保持对lock2对象的锁定并等待直到。lock1对象被释放,但lock1对象永远不会被释放。

　　实际上lock关键字是Monitor类用例的一个语法糖。如果我们分解使用了lock关键字的代码,将会看到它如下面代码片段所示:

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　　因此,我们可以直接使用Monitor类。其拥有TryEnter方法,该方法接受一个超时, "参数。如果在我们能够获取被lock保护的资源之前,超时参数过期,则该方法会返回 false.

处理异常

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工作原理

　　当主程序启动时,定义了两个将会抛出异常的线程。其中一个对异常进行了处理,另一个则没有。可以看到第二个异常没有被包裹启动线程的try/catch代码块捕获到。所以如果直接使用线程,一般来说不要在线程中抛出异常,而是在线程代码中使用try/catch代码块。

　　在较老版本的.NET Framework中(1.0和1.1),该行为是不一样的,未被捕获的异常不会强制应用程序关闭。可以通过添加一个包含以下代码片段的应用程序配置文件(比如app config)来使用该策略。

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线程同步

　　正如前面所看到的一样,多个线程同时使用共享对象会造成很多问题。同步这些线程使得对共享对象的操作能够以正确的顺序执行是非常重要的。在使用C#中的lock关键字,我们遇到了一个叫作竞争条件的问题。导致这问题的原因是多线程的执行并没有正确同步。当一个线程执行递增和递减操作时,其他线程需要依次等待。这种常见问题通常被称为线程同步。

　　有多种方式来实现线程同步。首先,如果无须共享对象,那么就无须进行线程同步。令,人惊奇的是大多数时候可以通过重新设计程序来除移共享状态,从而去掉复杂的同步构造。请尽可能避免在多个线程间使用单一对象。

　　如果必须使用共享的状态,第二种方式是只使用原子操作。这意味着一个操作只占用一个量子的时间,一次就可以完成。所以只有当前操作完成后,其他线程才能执行其他操作。因此,你无须实现其他线程等待当前操作完成,这就避免了使用锁,也排除了死锁的情况。

　　如果上面的方式不可行,并且程序的逻辑更加复杂,那么我们不得不使用不同的方式来,协调线程。方式之一是将等待的线程置于阻塞状态。当线程处于阻塞状态时,只会占用尽可能少的CPU时间。然而,这意味着将引入至少一次所谓的上下文切换( context switch),上下文切换是指操作系统的线程调度器。该调度器会保存等待的线程的状态,并切换到另一个.线程,依次恢复等待的线程的状态。这需要消耗相当多的资源。然而,如果线程要被挂起很,长时间,那么这样做是值得的。这种方式又被称为内核模式(kernel-mode),因为只有操作系,统的内核才能阻止线程使用CPU时间。

　　万一线程只需要等待一小段时间,最好只是简单的等待,而不用将线程切换到阻塞状,态。虽然线程等待时会浪费CPU时间,但我们节省了上下文切换耗费的CPU时间。该方式又被称为用户模式(user-mode),该方式非常轻量,速度很快,但如果线程需要等待较长时间则会浪费大量的CPU时间。

　　为了利用好这两种方式,可以使用混合模式(hybrid),混合模式先尝试使用用户模式等,待,如果线程等待了足够长的时间,则会切换到阻塞状态以节省CPU资源。

执行基本的原子操作（Interlocked）

　　本节将展示如何对对象执行基本的原子操作,从而不用阻塞线程就可避免竞争条件。

internal class Program
{    private static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Incorrect counter");        var c = new Counter();        var t1 = new Thread(() => TestCounter(c));        var t2 = new Thread(() => TestCounter(c));        var t3 = new Thread(() => TestCounter(c));
        t1.Start();
        t2.Start();
        t3.Start();
        t1.Join();
        t2.Join();
        t3.Join();

        Console.WriteLine("Total count: {0}", c.Count);
        Console.WriteLine("--------------------------");

        Console.WriteLine("Correct counter");        var c1 = new CounterNoLock();

        t1 = new Thread(() => TestCounter(c1));
        t2 = new Thread(() => TestCounter(c1));
        t3 = new Thread(() => TestCounter(c1));
        t1.Start();
        t2.Start();
        t3.Start();
        t1.Join();
        t2.Join();
        t3.Join();

        Console.WriteLine("Total count: {0}", c1.Count);

        Console.ReadKey();
    }    static void TestCounter(CounterBase c)
    {        for (int i = 0; i < 100000; i++)
        {
            c.Increment();
            c.Decrement();
        }
    }    class Counter : CounterBase
    {        private int _count;        public int Count { get { return _count; } }        public override void Increment()
        {
            _count++;
        }        public override void Decrement()
        {
            _count--;
        }
    }    class CounterNoLock : CounterBase
    {        private int _count;        public int Count { get { return _count; } }        public override void Increment()
        {
            Interlocked.Increment(ref _count);
        }        public override void Decrement()
        {
            Interlocked.Decrement(ref _count);
        }
    }    abstract class CounterBase
    {        public abstract void Increment();        public abstract void Decrement();
    }
}

工作原理

　　当程序运行时,会创建三个线程来运行TestCounter方法中的代码。该方法对一个对象,按序执行了递增或递减操作。起初的Counter对象不是线程安全的,我们会遇到竞争条件。所以第一个例子中计数器的结果值是不确定的。我们可能会得到数字0,然而如果运行程序多次,你将最终得到一些不正确的非零结果。在第1部分中,我们通过锁定对象解决了这个问题。在一个线程获取旧的计数器值并计,算后赋予新的值之前,其他线程都被阻塞了。然而,如果我们采用上述方式执行该操作中途不能停止。而借助于Interlocked类,我们无需锁定任何对象即可获取到正确的结果。Interlocked提供了Increment, Decrement和Add等基本数学操作的原子方法,从而帮助我们,在编写Counter类时无需使用锁。

使用Mutex类

　　本节将描述如何使用Mutex类来同步两个单独的程序。Mutex是一种原始的同步方式,其只对一个线程授予对共享资源的独占访问。

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工作原理

　　当主程序启动时,定义了一个指定名称的互斥量,设置initialOwner标志为false。这意.味着如果互斥量已经被创建,则允许程序获取该互斥量。如果没有获取到互斥量,程序则简单地显示Running,等待直到按下了任何键,然后释放该互斥量并退出。

　　如果再运行同样一个程序,则会在5秒钟内尝试获取互斥量。如果此时在第一个程序中,按下了任何键,第二个程序则会开始执行。然而,如果保持等待5秒钟,第二个程序将无法,获取到该瓦斥量。

使用SemaphoreSlim类

　　本节将展示SemaphoreSlim类是如何作为Semaphore类的轻量级版本的。该类限制了同时访问同一个资源的线程数量。

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工作原理

　　当主程序启动时,创建了SemaphoreSlim的一个实例,并在其构造函数中指定允许的并发线程数量。然后启动了6个不同名称和不同初始运行时间的线程。

　　每个线程都尝试获取数据库的访问,但是我们借助于信号系统限制了访问数据库的并发,数为4个线程。当有4个线程获取了数据库的访问后,其他两个线程需要等待,直到之前线,程中的某一个完成工作并调用semaphore.Release方法来发出信号。

　　这里我们使用了混合模式,其允许我们在等待时间很短的情况下无需使用上下文切换。然而,有一个叫作Semaphore的SemaphoreSlim类的老版本。该版本使用纯粹的内核时间 ( kernel-time)方式。一般没必要使用它,除非是非常重要的场景。我们可以创建一个具名的semaphore,就像一个具名的mutex一样,从而在不同的程序中同步线程。SemaphoreSlim并不使用Windows内核信号量,而且也不支持进程间同步。所以在跨程序同步的场景下可以使用Semaphore.

使用AutoResetEvent类

　　本示例借助于AutoResetEvent类来从一个线程向另一个线程发送通知。AutoResetEvent类可以通知等待的线程有某事件发生。

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工作原理

　　当主程序启动时,定义了两个AutoResetEvent实例。其中一个是从子线程向主线程发信号,另一个实例是从主线程向子线程发信号。我们向AutoResetEvent构造方法传人false,定义了这两个实例的初始状态为unsignaled。这意味着任何线程调用这两个对象中的任何一个的WaitOne方法将会被阻塞,直到我们调用了Set方法。如果初始事件状态为true,那么 AutoResetEvent实例的状态为signaled,如果线程调用WaitOne方法则会被立即处理。然后事件状态自动变为unsignaled,所以需要再对该实例调用一次Set方法,以便让其他的线程对,该实例调用WaitOne方法从而继续执行。

　　然后我们创建了第二个线程,其会执行第一个操作10秒钟,然后等待从第二个线程发,出的信号。该信号意味着第一个操作已经完成。现在第二个线程在等待主线程的信号。我们对主线程做了一些附加工作,并通过调用mainEvent.Set方法发送了一个信号。然后等待从第二个线程发出的另一个信号。

　　AutoResetEvent类采用的是内核时间模式,所以等待时间不能太长。使用ManualResetEventslim类更好,因为它使用的是混合模式。

使用ManualResetEventSlim类

　　本节将描述如何使用ManualResetEventSlim类来在线程间以更灵活的方式传递信号。

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工作原理

　　当主程序启动时,首先创建了ManualResetEventSlim类的一个实例。然后启动了三个线程,等待事件信号通知它们继续执行。

　　ManualResetEvnetSlim的整个工作方式有点像人群通过大门。而AutoResetEvent事件像一个旋转门,一次只允许一人通过。ManualResetEventSlim是ManualResetEvent的混合版本,一直保持大门敞开直到手动调用Reset方法。当调用mainEvent.Set时,相当于打开了大门从而允许准备好的线程接收信号并继续工作。然而线程3还处于睡眠 "状态,没有赶上时间。当调用mainEvent.Reset相当于关闭了大门。最后一个线程已经准备好执行,但是不得不等待下一个信号,即要等待好几秒钟。

使用CountdownEvent类

　　本节将描述如何使用CountdownEvent信号类来等待直到一定数量的操作完成。

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工作原理

　　当主程序启动时,创建了一个CountdownEvent实例,在其构造函数中指定了当两个操,作完成时会发出信号。然后我们启动了两个线程,当它们执行完成后会发出信号。一旦第二个线程完成,主线程会从等待CountdownEvent的状态中返回并继续执行。针对需要等待多,个异步操作完成的情形,使用该方式是非常便利的。

　　然而这有一个重大的缺点。如果调用countdown.Signal()没达到指定的次数,那么-countdown. Wait()将一直等待。请确保使用CountdownEvent时,所有线程完成后都要调用,Signal方法。

使用Barrier类

　　本节将展示另一种有意思的同步方式,被称为Barrier, Barrier类用于组织多个线程及时, 在某个时刻碰面。其提供了一个回调函数,每次线程调用了SignalAndWait方法后该回调函数会被执行。

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工作原理

　　我们创建了Barrier类,指定了我们想要同步两个线程。在两个线程中的任何一个调用了-barrier.SignalAndWait方法后,会执行一个回调函数来打印出阶段。

　　每个线程将向Barrier发送两次信号,所以会有两个阶段。每次这两个线程调用Signal AndWait方法时, Barrier将执行回调函数。这在多线程迭代运算中非常有用,可以在每个迭代,结束前执行一些计算。当最后一个线程调用SignalAndWait方法时可以在迭代结束时进行交互。

使用ReaderWriterLockSlim类

　　本节将描述如何使用ReaderWriterLockSlim来创建一个线程安全的机制,在多线程中对,一个集合进行读写操作。ReaderWriterLockSlim代表了一个管理资源访问的锁,允许多个线程同时读取,以及独占写。

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工作原理

　　当主程序启动时,同时运行了三个线程来从字典中读取数据,还有另外两个线程向该字典中写入数据。我们使用ReaderWriterLockSlim类来实现线程安全,该类专为这样的场景而设计。

　　这里使用两种锁:读锁允许多线程读取数据,写锁在被释放前会阻塞了其他线程的所,有操作。获取读锁时还有一个有意思的场景,即从集合中读取数据时,根据当前数据而决,定是否获取一个写锁并修改该集合。一旦得到写锁,会阻止阅读者读取数据,从而浪费大量的时间,因此获取写锁后集合会处于阻塞状态。为了最小化阻塞浪费的时间,可以使用 EnterUpgradeableReadLock和ExitUpgradeableReadLock方法。先获取读锁后读取数据。如果发现必须修改底层集合,只需使用EnterWriteLock方法升级锁,然后快速执行一次写操作.最后使用ExitWriteLock释放写锁。

　　在本例中,我们先生成一个随机数。然后获取读锁并检查该数是否存在于字典的键集合中。如果不存在,将读锁更新为写锁然后将该新键加入到字典中。始终使用tyr/finaly代码块来确保在捕获锁后一定会释放锁,这是一项好的实践。所有的线程都被创建为后台线程。

　　主线程在所有后台线程完成后会等待30秒。

使用SpinWait类

　　本节将描述如何不使用内核模型的方式来使线程等待。另外,我们介绍了SpinWait,它, ,是一个混合同步构造,被设计为使用用户模式等待一段时间,然后切换到内核模式以节省CPU时间。

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工作原理

　　当主程序启动时,定义了一个线程,将执行一个无止境的循环,直到20毫秒后主线程,设置_isCompleted变量为true,我们可以试验运行该周期为20-30秒,通过Windows任务管理器测量CPU的负载情况。取决于CPU内核数量,任务管理器将显示一个显著的处理时间。

　　我们使用volatile关键字来声明isCompleted静态字段。Volatile关键字指出一个字段可能会被同时执行的多个线程修改。声明为volatile的字段不会被编译器和处理器优化为只能被单个线程访问。这确保了该字段总是最新的值。

　　然后我们使用了SpinWait版本,用于在每个迭代打印一个特殊标志位来显示线程是否切换为阻塞状态。运行该线程5毫秒来查看结果。刚开始, SpinWait尝试使用用户模式,在9 个迭代后,开始切换线程为阻塞状态。如果尝试测量该版本的CPU负载,在Windows任务管理器将不会看到任何CPU的使用。

使用线程池

简介

　　在之前的章节中我们讨论了创建线程和线程协作的几种方式。现在考虑另一种情况,即只花费极少的时间来完成创建很多异步操作。创建线程是昂贵的操作,所以为每个短暂的异步操作创建线程会产生显著的开销。

　　为了解决该问题,有一个常用的方式叫做池( pooling),线程池可以成功地适应于任何需要大量短暂的开销大的资源的情形。我们事先分配一定的资源,将这些资源放入到资源池。每次需要新的资源,只需从池中获取一个,而不用创建一个新的。当该资源不再被使用,时,就将其返回到池中。

　　.NET线程池是该概念的一种实现。通过System.Threading.ThreadPool类型可以使用线程池。线程池是受,NET通用语言运行时( Common Language Runtime,简称CLR)管理的。这意味着每个CLR都有一个线程池实例。ThreadPool类型拥有一个QueueUserWorkItem静态方法。该静态方法接受一个委托,代表用户自定义的一个异步操作。在该方法被调用后,委,托会进入到内部队列中。如果池中没有任何线程,将创建一个新的工作线程( worker thread) 并将队列中第一个委托放入到该工作线程中。如果想线程池中放入新的操作,当之前的所有操作完成后,很可能只需重用一个线程来执行这些新的操作。然而,如果放置新的操作过快,线程池将创建更多的线程来执行这些操,作。创建太多的线程是有限制的,在这种情况下新的操作将在队列中等待直到线程池中的工作线程有能力来执行它们。

　　当停止向线程池中放置新操作时,线程池最终会删除一定时间后过期的不再使用的线程。这将释放所有那些不再需要的系统资源。我想再次强调线程池的用途是执行运行时间短的操作。使用线程池可以减少并行度耗费,及节省操作系统资源。

　　我们只使用较少的线程,但是以比平常更慢的速度来执行异步操作, ,使用一定数量的可用的工作线

c#多线程总结（纯干货）