C#多线程(一) 入门

本文你会了解如下内容：

1、计算机程序、进程、线程的概念

2、多线程的概念、为什么需要多线程、多线程的好处与坏处

3、C# 线程的一些概念与操作(创建线程、像线程中传递参数、给线程取名、前后台线程、线程优先级、异常处理)

4、线程池

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一、计算机程序、进程、线程的概念

计算机程序：是计算机能识别和处理的指令集合，通常情况下是计算机操作系统可以执行的二进制文件，如在Win32系统上符合PE(Portable Executable)格式的二进制文件就可算是计算机程序。

进程：是计算机程序在计算机操作系统中运行的产物。一个计算机程序可以有多个进程，如一个游戏程序运行多次就会得到多个游戏程序的进程。

注：在早期的操作系统（如早期的 Unix）是基于进程设计的，进程既是掌管资源的单位又是执行的单位；在现代的操作系统中，进程本身不是执行的单位，而是线程的容器，此时的进程仅仅是掌管资源的单位。

线程：是一个独立的执行流，每个线程有自己独立的线程栈。在同一进程下的线程共享进程的资源。

二、多线程的概念、为什么需要多线程、多线程的好处与坏处

多线程：通过软件或硬件的技术实现多个线程并发执行的技术，在通常情况下就是指一个进程中有多个线程(并发执行)的现象。

我们知道在现在主流计算机体系结构（冯诺依曼体系机构）中CPU是很宝贵的资源，我们要尽可能的提高CPU的利用率。在日常的任务操作中，有大量任务是与IO设备交互，应为IO设备的运行速度比CPU的运行速度慢好几个数量级，在需要大量IO操作的任务或程序（IO密集型）中CPU会有一段不短的时间等待IO设备处理完毕，这就造成了CPU资源的浪费。为了解决这种浪费，为了更充分的利用CPU资源，我们引入多线程技术。针对刚才的例子，我们可以通过把需要和IO设备交互的工作交给一个线程（通常是后台线程）处理，主线程继续执行其他任务，这样就解决问题了，这也就是为什么需要需要多线程技术。

多线程的好处：

1、提高了CPU的利用率

2、提升了程序的效率

多线程的坏处：

1、增加了程序的复杂度（创建线程不复杂、复杂的是线程间的协调工作），可能导致一些很难调试的BUG

2、比单线程程序消耗更多的资源（每个线程有独立的线程栈，这是需要资源滴）

建议：

1、将多线程逻辑封装到一个可重用的类库中，这个类库可以被充分的测试。最好不要将多线程处理逻辑和业务处理逻辑耦合得太紧，这样做是在给自己挖坑

三、C# 线程的一些概念与操作

光说不练假把式，先来看个例子（为了节省文章版幅，因此代码有时候采用缩行处理）

例1:创建线程

using System;
using System.Threading;

class App
{
    static void Main()
    {
        Thread t = new Thread(WriteY);
        t.Start();
        while(true) {Console.Write("x");}
    }
    
    static void WriteY()
    {
        while(true) {Console.Write("y");}
    }
}

编译： csc 1.cs

运行 1.exe > result.txt

上面的 “>” 是一个DOS运算符，含义是将 1.exe 打印的字符写入到 result.txt 文本中

效果：

引用 Thread in C# 中的一幅图

刚才我们说每个线程有独立的线程栈，我们写代码验证下

using System;
using System.Threading;

// 每个线程内的变量互相不影响，CLR为每个线程在堆上分配独立的线程栈控件
class App
{
    static void Main()
    {
        new Thread(Go).Start();
        Go();
    }
    
    static void Go()
    {
        for(int cycles = 0; cycles<5; cycles++) {Console.Write("?");}
    }
}

运行效果：??????????

10 个问号，不是5个问号，正好验证了我们的猜测。

当线程引用公有变量(全局变量)时它们会共享此公有变量的数据，看下例：

using System;
using System.Threading;
// 实例字段和实例方法
class App
{
    bool done;
    static void Main()
    {
        App app = new App();
        new Thread(app.Go).Start();
        app.Go();
    }
    
    void Go()
    {
        if(!done){done = true; Console.WriteLine("This Only Print Once");}
    }
}

运行效果： This Only Print Once

貌似这个程序得到了我们要的效果，其实这样做是存在打印出两次的风险的（虽然概率极小），为了让出现打印两次的概念变大许多，我们改变以下 done = true; 和Console.WriteLine("This Only Print Once"); 的次序变为：

void Go()
{
    if(!done){Console.WriteLine("This Only Print Once");done = true; }
}

运行结果变为：

This Only Print Once
This Only Print Once

打印了两次，这并不是我们想要的结果。通过这个例子，我们引入线程安全的概念（其实这是一个非线程安全的例子）即在多线程情况下，每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，相关变量的值也是在预期范围内的，这样的情况成为线程安全，反之称为非线程安全（说白了，线程安全，就是程序跑出的结果和你猜想的一致，非线程安全就是和你想的不一致）

在C#中解决上面非线程安全问题的最简单的方式就是用 lock 语句锁住多线程交互的地方，看代码：

using System;
using System.Threading;

class App
{
    static bool done;
    static object _locker = new object();            
    static void Main()
    {
        new Thread(Go).Start();
        Go();
    }
    
    static void Go()
    {
        lock(_locker)
        {
            if(!done) {Console.WriteLine("This Only Print Once");done = true;}
        }
    }    
}

运行结果：This Only Print Once

注意：

1、线程间共享公有数据是多线程复杂性以及产生难以发现BUG的主要原因，尽管多线程之间经常需要共享公共数据，但尽量使共享数据交互的代码尽量简单吧

2、通过lock语句每次只有一个线程进入临界区，其余线程被挡在临界区外（或等待或被阻塞Blocked）直到获取到lock的锁对象。

3、lock 语句是比较耗资源的，lock语句锁住的范围最好尽量的小。考虑一个极端的情况，在一个多线程程序中用lock语句锁住的范围是整个程序的执行范围，这是神马情况？这种情况不就是和单线程执行效果一样了么，那还用毛线多线程技术和lock语句呀，对吧？！

Join 与 Sleep语句

你可以通过Join语句实现线程A等待线程B执行完的功能，看代码：

using System;
using System.Threading;

class App
{
    static void Main()
    {
        Thread t = new Thread(() =>
        {
            for(int i = 0; i< 1000; i++) {Console.Write("y ");}
        });                        
        t.Start();        
        t.Join();        // 主线程等待 线程t执行完毕再结束    
        Console.WriteLine("Thread t has ended!");
    }
}

编译 ：csc 10_join.cs

运行 ： 10_join.exe > joinResult.txt

程序执行效果：

其实本例的t.Join(); 加不加效果都一样，原因是用 Thread 创建的线程是前台线程，程序要等到所有前台线程执行完毕后才会退出，这个下面会谈到。

Thread.Sleep 暂停当前线程指定时间

Thread.Sleep(TimeSpan.FromHours(1));    // 暂停1小时
Thread.Sleep(500);    // 暂停 500 毫秒

注意：

1、Thread.Sleep(0) 或 Thread.Yield() 表示主动放弃当前线程执行权，把CPU资源让给别的线程。Yield(有放弃、让步、屈服之意)

ThreadStart委托与 ParameterizedThreadStart 委托

先看看MSDN上的定义:

public delegate void ThreadStart() // 无参

public delegate void ParameterizedThreadStart(Object obj)  // 带参数，可以向线程中传递数据，但注意这里只能用Object，因此涉及到装箱拆箱操作

初始化委托有四种方法(原始方式、方法方式、匿名方法方式、Lambda 方式)详见 类库探源——System.Delegate 

using System;
using System.Threading;

class App
{
    static void Main()
    {        
        Thread t = new Thread(new ThreadStart(WriteY));     // 这是原始的方法
        /* 还可以
        Thread t = new Thread(WriteY);        // 方法方式
        Thread t = new Thread(delegate(){while(true) {Console.Write("y");}});    // 匿名方法
        Thread t = new Thread(() => {while(true) {Console.Write("y");}});    // Lambda 表达式        
        */
        Console.WriteLine(t.IsBackground);        // 用 Thread 创建的线程是前台线程 结果是 False
         t.Start();
        while(true) {Console.Write("x");}
    }
    
    static void WriteY()
    {
        while(true) {Console.Write("y");}
    }
}

运行结果：

向线程中传递数据

首先我们可以用 ParameterizedThreadStart 委托传递参数，看代码：

using System;
using System.Threading;

class App
{
    static void Main()
    {
        string str = "Contents";
        var t = new Thread(Invoke);
        t.Start(str);    // 传参
    }    
    static void Invoke(object str)
    {
        Console.WriteLine(str);
    }    
}

上面的代码可以用 Lambda 表达式写得更精练

static void Main()
{
    string str = "Contents";
    new Thread((obj) =>{Console.WriteLine(obj);}).Start(str);
}

第二种方法用匿名方法（或Lambda表达式）调用一个普通方法变通解决：

using System;
using System.Threading;

class App
{
    static void Main()
    {
        Thread t = new Thread(delegate(){WriteText("hello Thread Param");});

        //可用Lambda表达式 var t = new Thread(() =>WriteText("hello Thread Param"));        

        t.Start();
    }    
    static void WriteText(string txt)
    {
        Console.WriteLine(txt);
    }
}

Lambda 表达式值捕获问题

如我们所见 Lambda 表达式是向线程传值的最强大的方式，但是你必须小心值捕获(captured variables)问题，也有人把这个问题称为闭包下值的问题，看代码：

using System;
using System.Threading;

class App
{
    static void Main()
    {
        for(int i = 0; i < 10; i++)
        {
            new Thread(() => Console.Write(i)).Start();
        }
    }
}

运行几次的效果：

可以看出每次都不一样，也没有一次值为 0123456789 这是为什么呢？

原因是在循环指向过程中的变量 i 指向了相同的内存位置(i variable refers to the same memory location throughout the loop’s lieftime.)每个线程获取到i的值不会那么巧正好是 0123456789的顺序

解决方法：用个临时变量存储i

int temp = i;
new Thread(() => Console.Write(temp)).Start();

效果：

每次都是 0123456789

再用更简单例子来说明:

string text = "t1";
var t1 = new Thread(() =>Console.WriteLine(text));

string text = "t2";
var t2 = new Thread(() =>Console.WriteLine(text));

t1.Start();
t2.Start();

结果是打印 两个 t2

给线程取名

给线程命名在调试的时候很有用，在VS下可以查看线程名字

Thread.CurrentThread 获取当前正在运行的线程

using System;
using System.Threading;

class App
{
    static void Main()
    {
        Thread.CurrentThread.Name = "Main Thread";
        var worker = new Thread(Go);
        worker.Name = "Worker Thread";
        worker.Start();    // 另取线程调用Go
        Go();    // 主线程中调用Go
    }
    
    static void Go()
    {
        Console.WriteLine("Hello from " + Thread.CurrentThread.Name);
    }
}

运行效果：

前台线程与后台线程

用 Thread 类创建的线程默认是前台线程，应用程序的所有前台线程执行完后才结束，如何特殊设置（如Join）前台线程结束后，后台线程也会终止因为程序都terminate 了嘛 。

看下刚才Join的例子，我们将用后台线程演示，看代码：

using System;
using System.Threading;

class App
{
    static void Main()
    {
        Thread t = new Thread(() =>
        {
            for(int i = 0; i< 1000; i++) {Console.Write("y ");}
        });            
        t.IsBackground = true;
        t.Start();        
        
        Console.WriteLine("Thread t has ended!");
    }
}

运行2次效果：

第一次执行打印一个y 第二次执行打印一个y ，反正都没打印完

现在用 Join 语句阻塞下

using System;
using System.Threading;

class App
{
    static void Main()
    {
        Thread t = new Thread(() =>
        {
            for(int i = 0; i< 1000; i++) {Console.Write("y ");}
        });            
        t.IsBackground = true;
        t.Start();        
        t.Join();
        Console.WriteLine("Thread t has ended!");
    }
}

效果：

后台线程执行完了。

注意：

1、Thread 创建的线程默认是前台线程

2、线程池创建的线程默认是后台线程

3、线程的前后台状态与线程的优先级没有关系

线程优先级

public enum ThreadPriority{Lowest,BelowNormal,Normal,AboveNormal,Highest}

异常处理

参见 类库探源——System.Exception 中第四和第五小节

未完

本系列参考：Joseph Albaharis Thread in C#