.NET多線程總結和實例介紹

摘要：.Net提供了許多多線程編程工具,可能是因為太多了,所以掌握起來總是有一些頭疼,我在這里講講我總結的一些多線程編程的經驗,希望對大家有幫助。

1.多線程的總結

不需要傳遞參數,也不需要返回參數

我們知道啟動一個線程最直觀的辦法是使用Thread類,具體步驟如下：

    public void test()
    {
        ThreadStart threadStart = new ThreadStart(Calculate);
        Thread thread = new Thread(threadStart);
        thread.Start();
    }

    public void Calculate()
    {
        double Diameter = 0.5;
        Console.Write("The perimeter Of Circle with a Diameter of {0} is {1}", Diameter, Diameter * Math.PI);
    }

例1

     上面我們用定義了一個ThreadStart類型的委托,這個委托制定了線程需要執行的方法:Calculate,在這個方法里計算了一個直徑為0.5的圓的周長,並輸出.這就構成了最簡單的多線程的例子,在很多情況下這就夠用了,然后ThreadStart這個委托定義為void ThreadStart(),也就是說,所執行的方法不能有參數,這顯然是個很大的不足,為了彌補這個缺陷,聰明的程序員想出了許多好的方法,我們將在需要傳遞多個參數一節中進行介紹,這里我們先介紹.Net為了解決這個問題而設定的另外一個委托:就是ParameterizedThreadStart ,我會在下面詳細講述。

需要傳遞單個參數

    public void test
    {
        //ParameterThreadStart的定義為void ParameterizedThreadStart(object state)
        //使用這個這個委托定義的線程的啟動函數可以接受一個輸入參數,具體例子如下
        ParameterizedThreadStart threadStart=new ParameterizedThreadStart(Calculate);
        Thread thread=new Thread();
        thread.Start(0.9); 
    }

    public void Calculate(object arg)
    {
        double Diameter=double(arg);
        Console.Write("The perimeter Of Circle with a Diameter of {0} is {1}",
        Diameter,Diameter*Math.PI);
    }

例2
      Calculate方法有一個為object類型的參數,雖然只有一個參數,而且還是object類型的,使用的時候尚需要類型轉換,但是好在可以有參數了,並且通過把多個參數組合到一個類中,然后把這個類的實例作為參數傳遞,就可以實現多個參數傳遞。

需要傳遞多個參數

     雖然通過把需要的參數包裝到一個類中,委托ParameterizedThreadStart就可以傳遞多個參數,但是由於這個委托的傳入參數是object,所以不可避免的需要進行參數轉換,下面還有幾個常用的參數傳遞方法,讓我們來一一看來使用專門的線程類，這是許多程序員愛使用的經典模式,簡單來說,就是把需要另起線程執行的方法,和他需要的參數放到一個類中,參數作為了類的屬性,調用時聲明此類的實例,然后初始化屬性,方法執行時直接使用類里初始化好的屬性來執行,這樣方法本身就可以不需要參數,而又起到了多參數傳遞的效果,於是使用本文最開始提到的不帶參數的ThreadStart委托就可以了,並且由於需要執行的方法和參數都放在一個類中,充分體現了面向對象的特點.具體方法如下：

      還是計算面積的方法的例子,我們把這個方法用一個類包裝起來,輸入參數Diameter(直徑)是這個類的一個字段

public class MyThread
{
    public double Diameter = 10;
    public double Result = 0;

    public MyThread(int Diameter)
    {
        this.Diameter = Diameter;
    }

    public void Calculate()
    {
        Console.WriteLine("Calculate Start");
        Thread.Sleep(2000);
        Result = Diameter * Math.PI; ;
        Console.WriteLine("Calculate End, Diameter is {0},Result is {1}", this.Diameter, Result);
    }
}

MyThread t=new MyThread(5.0);
ThreadStart threadStart=new ThreadStart(t.Calculate)
Thread thread=new Thread(threadStart);
thread.Start(); 
}

例3

     這種方法把參數傳遞變成了屬性共享,想傳遞多少個變量都可以,從封裝上講,把邏輯和邏輯涉及的數據封裝在一起,也很不錯,這個方法還有一個聰明的變體,利用了匿名方法,這種變體連獨立的類都省掉了,我現在給出這個方法。

double Diameter = 6;
double Result=0;
Thread ta = new Thread(new ThreadStart(delegate()
{
Thread.Sleep(2000);
Result=Diameter * Math.PI;
Console.WriteLine("匿名 Calculate  End, Diameter is {0},Result is {1}",
            Diameter, Result); ;
})); 
ta.Start();

例4

      這個方法和上例道理相同,都是把參數傳遞變成了對變量的調用,從而取消了參數傳遞,但是,后者充分利用了匿名方法的一個性質,就是可以直接使用當前上下文的局部變量,比如委托中的Diameter,和Result.當然,這樣做的缺點是如果匿名方法太長,程序的可讀性會降低,所以一般很少有人這樣做,這里給出這個方法供大家參考,關於匿名委托的資料可以參見

     聰明的讀者肯定想,既然可以用字段來傳入變量,當然也可以用字段傳出變量,比如在上面兩個例子里我們看到計算結果都寫進了一個叫Result(加亮的地方)的變量里,我們直接訪問這個變量不就可以得到計算結果了嗎?

     這樣做有一個致命的問題:既然是異步執行,主線程怎么知道分線程什么時候完成了計算呢?比如上兩個例子中,我們的線程都睡眠了2000毫秒,然后才進行計算,那么如果主線程在沒有完成計算前訪問Result,只能得到一個0值.於是我們就有了下面的一系列解決方法。

需要傳遞參數且需要返回參數

     剛才說到主線程需要知道子線程什么時候執行完成,可以使用Thread.ThreadState枚舉來判斷當線程的ThreadState==ThreadState.Stop時,一般就說明線程完成了工作,這時結果就可用了,如果不是這個狀態,就繼續執行別的工作,或者等待一會,然后再嘗試.倘若需要等有多個子線程需的返回,並且需要用他們的結果來進行進異步計算,那就叫做線程同步了,下面我們介紹另外一種我比較推薦的方法,能夠自定義參數個數,並且返回數據,而且使用起來也相對方便，

使用委托的異步調用方法和回調

     首先我們要把需要異步調用的方法定義為一個委托,然后利用BeginInvoke來異步調用,BeginInvoke的第一個參數就是直徑,第二個是當線程執行完畢后的調用的方法。

delegate double CalculateMethod(double Diameter); 

static CalculateMethod calcMethod;
double result = 0; 

static void Main(string[] args)
{ 
calcMethod = new CalculateMethod(Calculate);
calcMethod.BeginInvoke(5, new AsyncCallback(TaskFinished), null); 
} 

///<summary>
///線程調用的函數
///<summary> 
public static double Calculate(double Diameter)
{
return Diameter * Math.PI;
} 

///<summary>///線程完成之后回調的函數
///<summary>        
public static void TaskFinished(IAsyncResult result)
{
result=calcMethod.EndInvoke(result);
}

例5

注意,再線程執行完畢后執行的方法TaskFinished中,我們使用了EndInvoke來取得這個函數的返回值

線程池

     線程雖然是個好東西,但是也是個資源消耗大戶,許多時候,我們需要用多線程,但是又不希望線程的數量過多,這就是線程池的作用,.Net為我們提供了現成的線程池ThreadPool,他的使用如下：

WaitCallback w = new WaitCallback(Calculate);
ThreadPool.QueueUserWorkItem(w, 1.0);
ThreadPool.QueueUserWorkItem(w, 2.0);
ThreadPool.QueueUserWorkItem(w, 3.0);
ThreadPool.QueueUserWorkItem(w, 4.0);

public static void Calculate(double Diameter)
{
return Diameter * Math.PI;
} 

例6

      首先定義一個WaitCallback委托,WaitCallback的格式是void WaitCallback(object state),也就是說你的方法必須符合這個格式,接着調用QueueUserWorkItem,將這個任務加入線程池,當縣城池有空閑線時,將會調度並運行你的代碼。

      每一個進程都有一個線程池,線程池的默認大小是25,我們可以通過SetMaxThreads方法來設置其最大值。

      [注]由於每個進程只有一個線程池,所以如果是在iis進程,或者sqlserver的進程中使用線程池,並且需要設置線程池的最大容量的話,會影響到iis進程或sql進程,所以這兩種情況下要特別小心。

控制權

     在和大家交談的時候我發現凡是習慣了面向對象思維的同事,總是對多線程情況下的執行上下文很困擾,比如例5中,主程序啟動了子線程執行Calculate方法,執行完畢后回調TaskFinished,假如主線程id是1,子線程id是2,那么Calculate肯定是在id=2的線程中執行,那么他的回調函數TaskFinished呢? 同樣也是在id=2的線程上下文中執行,不信你輸出線程id試試,這通常不是什么問題,但是當我們需要在Winform編程中使用子線程時,就有可能會引起問題了,我們將在下面講這個問題。

窗體程序多線程編程的特殊性

      當我們把例5的回調代碼稍加修改,搬到winform里面,就可以看到問題所在了。

public static void TaskFinished(IAsyncResult result)
{
result=calcMethod.EndInvoke(result);
this.TextBox1.Text=result;
}

     程序的原意是在線程執行完畢后講結果寫入一個TextBox,然而當程序執行到this.TextBox1.Text=result這里的時候就報錯了.原來WinForm對線程有很嚴格的要求,除了創建這些控件的線程,其他線程想跨線程訪問WinForm上的控件的屬性和方法是不允許(除了幾個特殊屬性),在有的版本系統上,比如XP,對這個問題進行了處理,跨線程控件訪問可以被執行,但是大多數windows系統都是不可以的,那么如果我們確實需要跨線程修改控件屬性,或者調用控件的方法,就必須用到控件的一個方法Invoke,這個方法可以把執行上下文切換回創建這些控件的線程,具體操作如下：

delegate void changeText(string result);

public static void TaskFinished(IAsyncResult result)
{
result=calcMethod.EndInvoke(result); 
this.BeginInvoke(new changeText(this.textBox1.AppendText),t.Result.ToString())
}

     由於委托中必須使用方法,所以我用AppendTex方法t,而不是直接設置Text屬性,你如果想設置text屬性,就必須自己包裝一個方法,然后連接到委托了。

2.多線程的實例介紹

問題的提出

      所謂單個寫入程序/多個閱讀程序的線程同步問題，是指任意數量的線程訪問共享資源時，寫入程序（線程）需要修改共享資源，而閱讀程序（線程）需要讀取數據。在這個同步問題中，很容易得到下面二個要求：

1）當一個線程正在寫入數據時，其他線程不能寫，也不能讀；  

2）當一個線程正在讀入數據時，其他線程不能寫，但能夠讀。

     在數據庫應用程序環境中經常遇到這樣的問題。比如說，有n個最終用戶，他們都要同時訪問同一個數據庫。其中有m個用戶要將數據存入數據庫，n-m個用戶要讀取數據庫中的記錄。

     很顯然，在這個環境中，我們不能讓兩個或兩個以上的用戶同時更新同一條記錄，如果兩個或兩個以上的用戶都試圖同時修改同一記錄，那么該記錄中的信息就會被破壞。

     我們也不讓一個用戶更新數據庫記錄的同時，讓另一用戶讀取記錄的內容。因為讀取的記錄很有可能同時包含了更新和沒有更新的信息，也就是說這條記錄是無效的記錄。

實現分析

     規定任一線程要對資源進行寫或讀操作前必須申請鎖。根據操作的不同，分為閱讀鎖和寫入鎖，操作完成之后應釋放相應的鎖。將單個寫入程序/多個閱讀程序的要求改變一下，可以得到如下的形式：

一個線程申請閱讀鎖的成功條件是：當前沒有活動的寫入線程。

一個線程申請寫入鎖的成功條件是：當前沒有任何活動（對鎖而言）的線程。

      因此，為了標志是否有活動的線程，以及是寫入還是閱讀線程，引入一個變量m_nActive，如果m_nActive > 0，則表示當前活動閱讀線程的數目，如果m_nActive=0，則表示沒有任何活動線程，m_nActive <0，表示當前有寫入線程在活動，注意m_nActive<0，時只能取-1的值，因為只允許有一個寫入線程活動。

     為了判斷當前活動線程擁有的鎖的類型，我們采用了線程局部存儲技術（請參閱其它參考書籍），將線程與特殊標志位關聯起來。

     申請閱讀鎖的函數原型為：public void AcquireReaderLock( int millisecondsTimeout )，其中的參數為線程等待調度的時間。函數定義如下：

public void AcquireReaderLock( int millisecondsTimeout ) 
{ 
// m_mutext很快可以得到，以便進入臨界區 

m_mutex.WaitOne( );    
// 是否有寫入線程存在    
bool bExistingWriter = ( m_nActive < 0 ); 
if( bExistingWriter ) 
{ //等待閱讀線程數目加1,當有鎖釋放時，根據此數目來調度線程 
m_nWaitingReaders++;    
}  
else 
{ //當前活動線程加1 
m_nActive++;    
} 

m_mutex.ReleaseMutex(); 
//存儲鎖標志為Reader    
System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot(m_strThreadSlotName); 
object obj = Thread.GetData( slot ); 
LockFlags flag = LockFlags.None; 

if( obj != null )    
flag = (LockFlags)obj ;    
if( flag == LockFlags.None ) 
{   
Thread.SetData( slot, LockFlags.Reader ); 
}    
else    
{ 
Thread.SetData( slot, (LockFlags)((int)flag | (int)LockFlags.Reader ) ); 
} 
if( bExistingWriter ) 
{ //等待指定的時間    
this.m_aeReaders.WaitOne( millisecondsTimeout, true ); 
}     
 } 

     它首先進入臨界區（用以在多線程環境下保證活動線程數目的操作的正確性）判斷當前活動線程的數目，如果有寫線程(m_nActive<0)存在，則等待指定的時間並且等待的閱讀線程數目加1。如果當前活動線程是讀線程(m_nActive>=0)，則可以讓讀線程繼續運行。

      申請寫入鎖的函數原型為：public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout )，其中的參數為等待調度的時間。函數定義如下：

public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout ) 
{    
// m_mutext很快可以得到，以便進入臨界區    
m_mutex.WaitOne( ); 
// 是否有活動線程存在 
bool bNoActive = m_nActive == 0; 
if( !bNoActive ) 
{  m_nWaitingWriters++; 
}   
else 
{ 
m_nActive--; 
} 
m_mutex.ReleaseMutex(); 
//存儲線程鎖標志 
System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot( "myReaderWriterLockDataSlot" ); 
object obj = Thread.GetData( slot );    
LockFlags flag = LockFlags.None;   
if( obj != null )    
flag = (LockFlags)Thread.GetData( slot );    
if( flag == LockFlags.None ) 
{ Thread.SetData( slot, LockFlags.Writer );    
} 
 else 
{   
Thread.SetData( slot, (LockFlags)((int)flag | (int)LockFlags.Writer ) ); 
} 

//如果有活動線程，等待指定的時間 

if( !bNoActive ) 
this.m_aeWriters.WaitOne( millisecondsTimeout, true );    
} 

      它首先進入臨界區判斷當前活動線程的數目，如果當前有活動線程存在，不管是寫線程還是讀線程（m_nActive），線程將等待指定的時間並且等待的寫入線程數目加1，否則線程擁有寫的權限。

      釋放閱讀鎖的函數原型為：public void ReleaseReaderLock()。函數定義如下：

public void ReleaseReaderLock() 

{    
System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot(m_strThreadSlotName ); 
LockFlags flag = (LockFlags)Thread.GetData( slot ); 
if( flag == LockFlags.None ) 

{   return; 
} 

bool bReader = true;  switch( flag ) 
{    
case LockFlags.None:    
break; 
case LockFlags.Writer: 
bReader = false; 
break; 
} 

if( !bReader ) 
return; 
Thread.SetData( slot, LockFlags.None ); 
m_mutex.WaitOne(); 
AutoResetEvent autoresetevent = null; 
this.m_nActive --; 
if( this.m_nActive == 0 ) 
{    if( this.m_nWaitingReaders > 0 ) 

{    
m_nActive ++ ;    
m_nWaitingReaders --;    
autoresetevent = this.m_aeReaders; 
}    
else if( this.m_nWaitingWriters > 0)    
{   
m_nWaitingWriters--; 

m_nActive --; 

autoresetevent = this.m_aeWriters ; 

}    } 

m_mutex.ReleaseMutex();    
if( autoresetevent != null )    
autoresetevent.Set();    
} 

     釋放閱讀鎖時，首先判斷當前線程是否擁有閱讀鎖（通過線程局部存儲的標志），然后判斷是否有等待的閱讀線程，如果有，先將當前活動線程加1，等待閱讀線程數目減1，然后置事件為有信號。如果沒有等待的閱讀線程，判斷是否有等待的寫入線程，如果有則活動線程數目減1，等待的寫入線程數目減1。釋放寫入鎖與釋放閱讀鎖的過程基本一致，可以參看源代碼。

      注意在程序中，釋放鎖時，只會喚醒一個閱讀程序，這是因為使用AutoResetEvent的原歷，讀者可自行將其改成ManualResetEvent，同時喚醒多個閱讀程序，此時應令m_nActive等於整個等待的閱讀線程數目。

測試

      測試程序取自.Net FrameSDK中的一個例子，只是稍做修改。測試程序如下：

using System;    
using System.Threading;   
using MyThreading;    
class Resource {    
myReaderWriterLock rwl = new myReaderWriterLock();    
public void Read(Int32 threadNum) {    
rwl.AcquireReaderLock(Timeout.Infinite); 

try {   Console.WriteLine("Start Resource reading (Thread={0})", threadNum); 

Thread.Sleep(250); 

Console.WriteLine("Stop Resource reading (Thread={0})", threadNum); 
} 

finally {  rwl.ReleaseReaderLock(); 

}   } 

public void Write(Int32 threadNum) {    
rwl.AcquireWriterLock(Timeout.Infinite);    
try {    
Console.WriteLine("Start Resource writing (Thread={0})", threadNum); 
Thread.Sleep(750); 
Console.WriteLine("Stop Resource writing (Thread={0})", threadNum); 
} 

finally {  rwl.ReleaseWriterLock();    
}   }    
}    
class App { 

static Int32 numAsyncOps = 20;    
static AutoResetEvent asyncOpsAreDone = new AutoResetEvent(false);    
static Resource res = new Resource();       
public static void Main() {    
for (Int32 threadNum = 0; threadNum < 20; threadNum++) {    
ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(UpdateResource), threadNum);
} 

asyncOpsAreDone.WaitOne(); 
Console.WriteLine("All operations have completed.");    
Console.ReadLine();    
} 

// The callback method's signature MUST match that of a System.Threading.TimerCallback    
// delegate (it takes an Object parameter and returns void)   
static void UpdateResource(Object state) {    
Int32 threadNum = (Int32) state;    
if ((threadNum % 2) != 0) res.Read(threadNum);    
else res.Write(threadNum);    
if (Interlocked.Decrement(ref numAsyncOps) == 0)    
asyncOpsAreDone.Set();    
}    
}