C#多线程（一）
一、定义与理解
1、定义
线程是操作系统分配CPU时间片的基本单位，每个运行的引用程序为一个进程，这个进程可以包含一个或多个线程。
线程是进程中的执行流程，每个线程可以得到一小段程序的执行时间，在单核处理器中，由于切换线程速度很快因此感觉像是线程同时允许，其实任意时刻都只有一个线程运行，但是在多核处理器中，可以实现混合时间片和真实的并发执行。但是由于操作系统自己的服务或者其他应用程序执行，也不能保证一个进程中的多个线程同时运行。
线程被一个CLR委托给操作系统的进程协调函数管理，确保所有线程都可以被分配适当的执行时间，同时保证在等待或阻止的线程不占用执行时间。
2、理解
线程与进程的关键区别是：进程是彼此隔离的，进程是操作系统分配资源的基本单位，而同一个进程中的多个线程是共享该进程内存堆区（Heap）的数据的，可以进行直接的数据共享。但是对于同一进程内的不同线程维护各自的内存栈（Stack），因此各线程的局部变量是隔离的。通过下面的例子可以看出。
- static void Main(string[] args)
- {
- Thread t = new Thread(Write);
- t.Start();
- Write();
- Console.ReadKey();
- }
- static void Write()
- {
- for (int i = 0; i < 5; i++)
- Console.Write("@");
- }
结果输出的是10个“@”，在两个线程中都有局部变量i，是彼此隔离的。但是对于共享的引用变量和静态数据，多个线程是会产生不可预知的结果的，这里共享的数据也就是“临界数据”，从而引发了线程安全的概念。
- static bool done;
- static void Main(string[] args)
- {
- Thread t = new Thread(Write);
- t.Start();
- Write();
- Console.ReadKey();
- }
- static void Write()
- {
- if (!done)
- {
- done = true;
- Console.Write("@");
- }
- }
这里输出的只有一个字符，但是很可能在极少数情况下会出现输出两个字符的情况，而且这是不可预知的。但是，对于共享的引用就不会出现这种情况。
二、线程使用情形
- 客户端应用程序保持对用户的响应：由于某些应用程序的特定需求，多线程程序一般用来执行需要非常耗时的操作，此时使用主线程创建工作线程在后台执行耗时的任务，而主线程保持运行，例如保持与用户的交互（更新进度条、显示提示文字等），这样可以防止由于程序耗时而被操作系统提示“无响应”而被用户强制关闭进程。
- 及时处理请求：对于Web应用程序，主线程相应客户端用户的请求，返回数据的同时，工作线程从数据库选出最新数据。这样可以对某些实时性要求高的应用非常有效，同时可以查询工作量被单独线程分开执行，特别是在多核处理器上，可以提高程序的性能。同时对于服务器需要处理多种类型的请求的时候，如ASP.NET、WCF、Remoting等，从而可以实现并发响应。
- 防止一个线程长时间没有响应而阻塞CPU来提高效率：例如WebService服务，对于没有用户交互界面的访问，在等待提供webservice服务（比较耗时）的电脑的响应的同时可以执行其他工作，以提高效率。
问题：
多线程的问题是使程序中的多个线程的交互变得过于复杂，会带来较长的开发时间和间歇性或非重复性的bug。同时线程数目不能太多，否则频繁的分配和切换线程会带来资源和CPU的开销，一般有一个到两个工作线程就足够。
三、C#中的线程
C#中主要使用Thread类进行线程操作，位于System.Threading命名空间下，提供了一系列进行多线程编程的类和接口，有线程同步和数据访问的Mutex、Monitor、Interlocked和AutoResetEvent类，以及ThreadPool类和Timer类等。
首先使用new Thread()创建出新的线程，然后调用Start方法使得线程进入就绪状态，得到系统资源后就执行，在执行过程中可能有等待、休眠、死亡和阻塞四种状态。正常执行结束时间片后返回到就绪状态。如果调用Suspend方法会进入等待状态，调用Sleep或者遇到进程同步使用的锁机制而休眠等待。具体过程如下图所示：
Thread类主要用来创建并控制线程，设置线程的状态、优先级等。创建线程的时候使用ThreadStart委托或者ParameterizedThreadStart委托来执行线程所关联的部分代码（也就是工作线程的运行代码）。
| 属性 | 说明 |
|---|---|
| CurrentThread | 获取当前正在运行的线程 |
| IsAlive | 获取当前线程的执行状态 |
| Name | 获取或设置线程的名称 |
| Priority | 获取或设置线程的优先级 |
| ThreadState | 获取包含当前线程状态的值 |
| 方法 | 说明 |
|---|---|
| Abort | 调用此方法的线程引发ThreadAbortException 终止线程 |
| Join | 阻止调用线程，知道某个线程终止时为止 |
| Resume | 继续已挂起的线程 |
| Sleep | 将线程阻止指定的毫秒数 |
| Start | 将线程安排被进行执行 |
| Suspent | 挂起线程，如果已经挂起则不起作用 |
四、创建与运行设置
1、创建
使用Thread类的构造函数创建线程的时候，需要传递一个新线程开始执行的代码块，提供了使用无参数的TheadStart委托和带有一个参数的ParameterizedTheadStart委托。他们的定义如下：
- public delegate void ThreadStart();
- public delegate void ParameterizedThreadStart(object obj);
任何时候C#使用上述两个委托中的一个自动进行线程的创建。
- static void Main()
- {
- Thread t = new Thread(new TheadStart(Go));
- t.Start();
- Go();
- }
- static void Go()
- {
- Console.Write("hello!");
- }
上述方式不传递参数，可以使用new Thead(Go)的方式直接创建，此时C#会在编译时自动匹配使用的是ThreadStart委托创建的。下面可以进行传递参数创建线程。
- static void Main()
- {
- Thread t = new Thread(Go);
- t.Start("hello");
- Go();
- }
- static void Go(object msg)
- {
- string message = (string)msg;
- Console.Write(message);
- }
此时实际在编译时使用的new Thread(new ParameterizedThreadStart(Go("hello")))创建的，上述使用Start方法传递的参数会默认采用这种方式构建。
第二种方法是使用Lambda表达式：
- new Thread( () => Go("hello") );
第三种方法是使用匿名方法：
- new Thread( () => {
- Console.Write("hello world!");
- ......
- }).Start();
注意问题：使用Lambda表达式的时候会存在变量捕获的问题，如果捕获的变量是共享的，会出现线程不安全的问题。看下面的例子：
- static void Main(string[] args)
- {
- for (int i = 0; i < 10; i++)
- new Thread(() => Write(i)).Start();
- Console.ReadKey();
- }
- static void Write(object obj)
- {
- string msg = Convert.ToString(obj);
- Console.Write(msg);
- }
上述由于使用Lambda表达式传递参数，在for循环的作用域内，新建的十个线程共享了局部变量i，传递进入i参数可能被多个线程已经修改，因此每次输出结果都是不确定的，两次结果如下：
上述问题，可以使用在循环体内使用一个tmp变量保存每次的变量i值，这样输出的就是0到9这十个数。因为使用tmp变量之后的代码可以用下面的来理解：
- int i = 0;
- int tmp = i;
- new Thread(()=>Write(tmp)).Start();
- int i = 1;
- int tmp = i;
- new Thread(()=>Write(tmp)).Start();
- ...
上述使用Lambda表达式传递参数的问题，使用Start方法传递参数也会出现这样的线程不安全的问题，需要使用特殊的线程同步手段进行避免。
2、设置
通过使用Thread.CurrentThread属性获取正在运行的线程对象。每个线程都有一个Name属性，可以设置和修改，但是只能设置一次。这样可在调试窗口看到每个线程的工作状态，便于调试。
线程有前台和后台之分，可以使用IsBackground属性设置，但是这个属性与线程的优先级是没有关联的。前台线程只要有一个在运行应用程序就在运行，当没有前台线程运行后应用程序终止，也就是在任务管理器中的程序一栏中没有了此程序，但是此时后台线程任然运行直到其完成操作结束，因此在任务管理器的进程一栏中会找到。
- static void Main(string[] args)
- {
- Thread.CurrentThread.Name = "main";
- Thread t = new Thread(Go);
- t.Name = "worker";
- t.Start();
- Go();
- Console.ReadKey();
- }
- static void Go()
- {
- Console.WriteLine("from " + Thread.CurrentThread.Name);
- Console.WriteLine("background status: " + Thread.CurrentThread.IsBackground.ToString());
- }
前台或主线程明确等待任何后台线程完成后再结束才是最好的方式，这大多使用Join方式实现，如果某个工作线程无法实现，可以先终止它，如果失败再抛弃线程，从而与进程一起消亡。
线程的优先级使用Priority设置或获取，只有在运行时才有作用。分为5个级别：
- enum ThreadPriority{Lowest, BelowNormal , Normal, AboveNormal, Highest}
线程优先级设置高并不意味着能执行实时的工作，这受限于所属进程的级别，要执行实时的工作需要提示System.Diagnostics命名空间下的Process级别：
- using (Process p = Process.GetCurrentProcess())
- p.PriorityClass = ProcessPriorityClass.High;
设置为High是一个短暂的最高优先级别，如果设置为Realtime，那么将让操作系统不然该进程被其他进程抢占，因此如果此程序一旦出现故障将耗尽操作系统资源。因此设置为High就是被认为最高和最有用的进程级别了。
对于有用户界面的程序不适合提升进程级别，因为界面UI的更新需要耗费CPU很多时间，从而拖慢电脑。最好的方式是实时工作和用户界面使用不同的进程，有不同的进程优先级，通过Remoting或者共享内存的方式进行进程通信。
线程执行先运行最高优先级的线程，高优先级的线程执行完之后才开始执行低优先级的线程。
3、休眠
Thread.Sleep(int ms); Thread.Sleep(TimeSpan timeout);
上述方法为Thread类的两个静态方法，用来阻止当前线程指定的时间。
4、终止
使用Abort和Join两个方法实现。Join会等待另一个线程执行完后再执行。而Abort会引发ThreadAbortException异常，同时可以传递一个终止的参数信息。
Thread.Abort();或者Thread.Abort(Object stateInfo)。
5、异常处理
每个线程都有独立的执行路径，因此放在try/catch/finally块中的新线程都与之无关。补救的方式是在每个线程处理的方法中加入自己的异常处理机制。
- static void Main(string[] args)
- {
- try
- {
- new Thread(Go).Start();
- }
- catch (Exception ex)
- {
- Console.Write(ex.Message);
- }
- Console.ReadKey();
- }
- static void Go()
- {
- try
- {
- throw null;
- }catch(Exception e){
- Console.Write(e.Message);
- }
- }
上述处理过程在单独的线程运行中进行异常处理是可以被捕获到的。同时任何线程内的未处理的异常都会导致整个程序关闭，对于WPF和WinForm程序中的全局异常仅仅在主界面线程执行，对于工作线程的异常需要手动处理。有三种情况可以不用处理工作线程的异常：异步委托、BackgroundWroker、Task Parallel Library。
（后续继续探秘）