本系列將和大家分享.Net中的異步多線程，本文是該系列的開篇。首先來看些概念：
進程：計算機概念，虛擬的概念，程序在服務器運行時占據全部計算資源的總和，我們給它起個名字叫進程。
線程：計算機概念，虛擬的概念，進程在響應操作時最小單位，也包含CPU 內存 網絡 硬盤IO。
多線程：計算機概念，一個進程有多個線程同時運行。
進程與線程的區別：
1、線程是程序執行的最小單位，而進程是操作系統分配資源的最小單位；
2、一個進程由一個或多個線程組成，線程是一個進程中代碼的不同執行路線。
3、進程之間相互獨立，但同一進程下的各個線程之間共享程序的內存空間(包括代碼段，數據集，堆等)及一些進程級的資源(如打開文件和信號等)，某進程內的線程在其他進程不可見；
4、調度和切換：線程上下文切換比進程上下文切換要快得多。
5、包含關系：沒有線程的進程可以看作是單線程的。如果一個進程內有多個線程，則執行過程不是一條線的，而是多條線（線程）共同完成的；線程是進程的一部分，所以線程也被稱為輕權進程或者輕量級進程。
線程和進程關系示意圖：
總之，線程和進程都是一種抽象的概念，線程是一種比進程還小的抽象，線程和進程都可用於實現並發。在早期的操作系統中並沒有線程的概念，進程是能擁有資源和獨立運行的最小單位，也是程序執行的最小單位，它相當於一個進程里只有一個線程，進程本身就是線程。所以線程有時被稱為輕量級進程。
后來，隨着計算機的發展，對多個任務之間上下文切換的效率要求越來越高，就抽象出一個更小的概念——線程，一般一個進程會有多個(也可以是一個)線程。
任務調度：大部分操作系統的任務調度是采用時間片輪轉的搶占式調度方式，也就是說一個任務執行一小段時間后強制暫停去執行下一個任務，每個任務輪流執行。任務執行的一小段時間叫做時間片，任務正在執行時的狀態叫運行狀態，任務執行一段時間后強制暫停去執行下一個任務，被暫停的任務就處於就緒狀態，等待下一個屬於它的時間片的到來。這樣每個任務都能得到執行，由於CPU的執行效率非常高，時間片非常短，在各個任務之間快速地切換，給人的感覺就是多個任務在“同時進行”，這也就是我們所說的並發。
為何不使用多進程而是使用多線程？
線程廉價，線程啟動比較快，退出比較快，對系統資源的沖擊也比較小。而且線程彼此分享了大部分核心對象(File Handle)的擁有權。如果使用多重進程，它是不可預期的，且測試困難。
為什么可以多線程呢？
1、多個CPU的核可以並行工作，4核8線程，這里的線程指的是模擬核。
2、CPU分片，1s的處理能力分成1000份，操作系統調度着去響應不同的任務。從宏觀角度來說，感覺就是多個任務在並發執行，從微觀角度來說，一個物理cpu同一時刻只能為一個任務服務。
並行和並發：多核之間的叫並行，CPU分片的叫並發。
同步和異步：
同步方法：發起調用，完成后才繼續下一行；非常符合開發思維，有序執行。
異步方法：發起調用，不等待完成，直接進入下一行，啟動一個新線程來完成方法的計算。
至此相關概念介紹完了，下面我們正式進入本章主題：
C#里面的多線程：Thread類是C#語言對線程對象的一個封裝。
為了演示此處我們使用VS2017建個Windows窗體應用程序MyAsyncThread，目標框架為：.NET Framework 4.6.1，如下所示：
此外，如果大家有使用過異步多線程的都知道，我們的異步多線程是不好調試的，一般我們會采用輸出一些信息等方法來輔助我們調試和理解。對此我們有個小技巧，就是將應用程序的輸出類型改為控制台應用程序，這樣我們在啟動程序的時候就會有2個窗口，一個是應用程序窗口，另外一個是控制台窗口。如下所示：
設置完，啟動后就有2個窗口了，如下所示：
首先我們來看個很簡單的同步方法：
/// <summary> /// 一個比較耗時耗資源的私有方法 /// </summary> private void DoSomethingLong(string name) { Console.WriteLine($"****************DoSomethingLong Start {name} {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " + $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************"); long lResult = 0; for (int i = 0; i < 1_000_000_000; i++) { lResult += i; } //Thread.Sleep(2000); Console.WriteLine($"****************DoSomethingLong End {name} {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " + $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")} {lResult}***************"); }
/// <summary> /// 同步方法 /// </summary> private void btnSync_Click(object sender, EventArgs e) { Console.WriteLine($"****************btnSync_Click Start {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " + $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************"); int l = 3; int m = 4; int n = l + m; for (int i = 0; i < 5; i++) { string name = string.Format($"btnSync_Click_{i}"); this.DoSomethingLong(name); } Console.WriteLine($"****************btnSync_Click End {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " + $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************"); }
運行起來，點擊同步方法后，會發現如果控制台還未輸出完，此時WinForm窗口會卡在那里，無法拖動：
如果我們使用委托的BeginInvoke異步方法去執行會發現WinForm界面不會卡主：
/// <summary> /// 異步方法 /// </summary> private void btnAsync_Click(object sender, EventArgs e) { Console.WriteLine($"****************btnAsync_Click Start {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " + $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************"); Action<string> action = this.DoSomethingLong; //action.Invoke("btnAsync_Click_1"); //action("btnAsync_Click_1"); //委托自身需要的參數+2個異步參數 //action.BeginInvoke("btnAsync_Click_1", null, null); for (int i = 0; i < 5; i++) { string name = string.Format($"btnAsync_Click_{i}"); action.BeginInvoke(name, null, null); //異步（開啟一個子線程去完成） } Console.WriteLine($"****************btnAsync_Click End {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " + $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************"); }
此時控制台輸出結果如下：
點擊異步方法去執行，會發現馬上可以拖動WinForm窗口，並不會像同步方法那樣卡界面。那這是為什么呢？
通過對比同步方法和異步方法的執行結果會發現：
/// <summary> /// 異步方法 /// 1 同步方法卡界面：主線程(UI線程)忙於計算，無暇他顧。 /// 異步多線程方法不卡界面：主線程閑置，計算任務交給子線程完成。 /// 改善用戶體驗，WinForm點擊個按鈕不至於卡死； /// Web應用發個短信通知，異步多線程去發短信； /// /// 2 同步方法慢，只有一個線程計算 /// 異步多線程方法快，因為5個線程並發計算 /// 12658ms 3636ms 不到4倍 CPU密集型計算(資源受限) /// 10126ms 2075ms 差不多5倍，也不到5倍，Sleep(資源夠用) /// 多線程其實是資源換性能，1 資源不是無限的 2 資源調度損耗 /// /// 一個訂單表統計很耗時間，能不能多線程優化下性能？ 不能！這就是一個操作，沒法並行 /// 需要查詢數據庫/調用接口/讀硬盤文件/做數據計算，能不能多線程優化下性能？ 可以，多個任務可以並行 /// 線程不是越多越好，因為資源有限，而且調用有損耗 /// /// 3 同步方法有序進行，異步多線程無序 /// 啟動無序：線程資源是向操作系統申請的，由操作系統的調度策略決定，所以啟動順序隨機 /// 同一個任務同一個線程，執行時間也不確定，CPU分片 /// 以上相加，結束也無序 /// 使用多線程請一定小心，很多事兒不是相當然的，尤其是多線程操作間有順序要求的時候， /// 通過延遲一點啟動來控制順序？或者預計下結束順序？ 這些都不靠譜！ /// /// 需要控制順序，晚點分解！ /// </summary>
如果我們想在異步方法調用完之后再執行某些業務邏輯的話要怎么實現呢？（控制順序）
方法1：調用BeginInvoke的時候傳入回調函數。
/// <summary> /// 異步進階 /// </summary> private void btnAsyncAdvanced_Click(object sender, EventArgs e) { Console.WriteLine($"****************btnAsyncAdvanced_Click Start {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " + $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************"); Action<string> action = this.DoSomethingLong; //1 回調：將后續動作通過回調參數傳遞進去，子線程完成計算后，去調用這個回調委托 IAsyncResult asyncResult = null; //IAsyncResult是對異步調用操作的描述 AsyncCallback callback = ar => { Console.WriteLine($"{object.ReferenceEquals(ar, asyncResult)}"); Console.WriteLine($"btnAsyncAdvanced_Click計算成功了。{ar.AsyncState}。{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}"); }; asyncResult = action.BeginInvoke("btnAsyncAdvanced_Click", callback, "浪子天涯"); //第三個參數“浪子天涯”為回調傳參 Console.WriteLine($"****************btnAsyncAdvanced_Click End {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " + $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************"); }
執行結果如下：
方法2：通過asyncResult.IsCompleted屬性
為了演示此處將DoSomethingLong方法的執行時間調長一點
/// <summary> /// 一個比較耗時耗資源的私有方法 /// </summary> private void DoSomethingLong(string name) { Console.WriteLine($"****************DoSomethingLong Start {name} {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " + $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************"); long lResult = 0; for (int i = 0; i < 1_000_000_000; i++) { lResult += i; } Thread.Sleep(2000); Console.WriteLine($"****************DoSomethingLong End {name} {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " + $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")} {lResult}***************"); }
/// <summary> /// 異步進階 /// </summary> private void btnAsyncAdvanced_Click(object sender, EventArgs e) { Console.WriteLine($"****************btnAsyncAdvanced_Click Start {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " + $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************"); Action<string> action = this.DoSomethingLong; //1 回調：將后續動作通過回調參數傳遞進去，子線程完成計算后，去調用這個回調委托 IAsyncResult asyncResult = null; //IAsyncResult是對異步調用操作的描述 AsyncCallback callback = ar => { Console.WriteLine($"{object.ReferenceEquals(ar, asyncResult)}"); Console.WriteLine($"btnAsyncAdvanced_Click計算成功了。{ar.AsyncState}。{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}"); }; asyncResult = action.BeginInvoke("btnAsyncAdvanced_Click", callback, "浪子天涯"); //第三個參數“浪子天涯”為回調傳參 //2 通過IsComplate等待，卡界面--主線程在等待，邊等待邊提示 //（ Thread.Sleep(200);位置變了，少了一句99.9999） int i = 0; while (!asyncResult.IsCompleted) { Thread.Sleep(200); //放在這里不合適，因為有延遲，主線程在等待過程中的子線程可能已經完成了 if (i < 9) { Console.WriteLine($"中華民族復興完成{++i * 10}%...."); } else { Console.WriteLine($"中華民族復興完成99.999999%...."); } //Thread.Sleep(200); //放在這里比較合適 } Console.WriteLine("中華民族復興已完成，沉睡的東方雄獅已覺醒！"); Console.WriteLine($"****************btnAsyncAdvanced_Click End {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " + $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************"); }
看下執行結果：
此處比我們預想的多了一個“...99.999999%”，那是因為有延遲，主線程在等待過程中的子線程可能已經完成了。故需要對Thread.Sleep(200)的位置做一個調整。
/// <summary> /// 異步進階 /// </summary> private void btnAsyncAdvanced_Click(object sender, EventArgs e) { Console.WriteLine($"****************btnAsyncAdvanced_Click Start {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " + $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************"); Action<string> action = this.DoSomethingLong; //1 回調：將后續動作通過回調參數傳遞進去，子線程完成計算后，去調用這個回調委托 IAsyncResult asyncResult = null; //IAsyncResult是對異步調用操作的描述 AsyncCallback callback = ar => { Console.WriteLine($"{object.ReferenceEquals(ar, asyncResult)}"); Console.WriteLine($"btnAsyncAdvanced_Click計算成功了。{ar.AsyncState}。{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}"); }; asyncResult = action.BeginInvoke("btnAsyncAdvanced_Click", callback, "浪子天涯"); //第三個參數“浪子天涯”為回調傳參 //2 通過IsComplate等待，卡界面--主線程在等待，邊等待邊提示 //（ Thread.Sleep(200);位置變了，少了一句99.9999） int i = 0; while (!asyncResult.IsCompleted) { //Thread.Sleep(200); //放在這里不合適，因為有延遲，主線程在等待過程中的子線程可能已經完成了 if (i < 9) { Console.WriteLine($"中華民族復興完成{++i * 10}%...."); } else { Console.WriteLine($"中華民族復興完成99.999999%...."); } Thread.Sleep(200); //放在這里比較合適 } Console.WriteLine("中華民族復興已完成，沉睡的東方雄獅已覺醒！"); Console.WriteLine($"****************btnAsyncAdvanced_Click End {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " + $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************"); }
此時的執行結果就是對的了：
方法3：WaitOne等待
{ //3 WaitOne等待，即時等待 限時等待 asyncResult.AsyncWaitHandle.WaitOne();//直接等待任務完成 asyncResult.AsyncWaitHandle.WaitOne(-1);//一直等待任務完成 asyncResult.AsyncWaitHandle.WaitOne(1000);//最多等待1000ms，超時就不等了 }
方法4：EndInvoke即時等待
{ //4 EndInvoke 即時等待，而且可以獲取委托的返回值 一個異步操作只能End一次 action.EndInvoke(asyncResult); //等待某次異步調用操作結束 }
{ Func<int> func = () => { Thread.Sleep(2000); return DateTime.Now.Hour; }; int iResult = func.Invoke(); IAsyncResult asyncResult = func.BeginInvoke(ar => { //int iEndResultIn = func.EndInvoke(ar); //在這里執行也是可以的，但是一個異步操作只能EndInvoke一次 }, null); int iEndResult = func.EndInvoke(asyncResult); //可以獲取委托的返回值 Console.WriteLine($"iResult:{iResult}--iEndResult:{iEndResult}"); }
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