.NET異步和多線程系列（四）- 多線程異常處理、線程取消、多線程的臨時變量問題、線程安全和鎖lock

本文轉載自查看原文 2020-09-02 21:29 446 異步和多線程/ 線程安全

本文是.NET異步和多線程系列第四章，主要介紹的是多線程異常處理、線程取消、多線程的臨時變量問題、線程安全和鎖lock等。

一、多線程異常處理

多線程里面拋出的異常，會終結當前線程，但是不會影響別的線程。那線程異常哪里去了？被吞了。

假如想獲取異常信息，這時候要怎么辦呢？下面來看下其中的一種寫法（不推薦）：

/// <summary>
/// 1 多線程異常處理和線程取消
/// 2 多線程的臨時變量
/// 3 線程安全和鎖lock
/// </summary>
private void btnThreadCore_Click(object sender, EventArgs e)
{
    Console.WriteLine($"****************btnThreadCore_Click Start   {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");

    #region 多線程異常處理

    {
        try
        {
            List<Task> taskList = new List<Task>();
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                string name = $"btnThreadCore_Click_{i}";
                taskList.Add(Task.Run(() =>
                {
                    if (name.Equals("btnThreadCore_Click_11"))
                    {
                        throw new Exception("btnThreadCore_Click_11異常");
                    }
                    else if (name.Equals("btnThreadCore_Click_12"))
                    {
                        throw new Exception("btnThreadCore_Click_12異常");
                    }
                    else if (name.Equals("btnThreadCore_Click_38"))
                    {
                        throw new Exception("btnThreadCore_Click_38異常");
                    }
                    Console.WriteLine($"This is {name}成功 ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}");
                }));
            }
            //多線程里面拋出的異常，會終結當前線程，但是不會影響別的線程。
            //那線程異常哪里去了？ 被吞了。
            //假如我想獲取異常信息，還需要通知別的線程
            Task.WaitAll(taskList.ToArray()); //1 可以捕獲到線程的異常
        }
        catch (AggregateException aex) //2 需要try-catch-AggregateException
        {
            foreach (var exception in aex.InnerExceptions)
            {
                Console.WriteLine(exception.Message);
            }
        }
        catch (Exception ex) //可以多catch  先具體再全部
        {
            Console.WriteLine(ex);
        }

        //線程異常后經常是需要通知別的線程，而不是等到WaitAll，問題就是要線程取消？
        //工作中常規建議：多線程的委托里面不允許異常，包一層try-catch，然后記錄下來異常信息，完成需要的操作。
    }

    #endregion 多線程異常處理

    Console.WriteLine($"****************btnThreadCore_Click End   {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");
}

上面的這種寫法往往太極端了，一下子捕獲了所有的異常。在真實工作中，線程異常后通常是需要通知別的線程（進行線程取消），而不是等到WaitAll。

工作中常規建議：多線程的委托里面不允許異常，包一層try-catch，然后記錄下來異常信息，完成需要的操作。具體的我們往下繼續看。

二、線程取消

多線程並發任務，某個失敗后，希望通知別的線程都停下來，要如何實現呢？

Thread.Abort--終止線程；向當前線程拋一個異常然后終結任務；線程屬於OS資源，可能不會立即停下來。非常不建議這樣子去做，該方法現在也被微軟給廢棄了。

既然Task不能外部終止任務，那只能自己終止自己（上帝才能打敗自己），下面我們來看下具體的代碼：（推薦）

#region 線程取消

{
    //多線程並發任務，某個失敗后，希望通知別的線程都停下來，要如何實現呢？
    //Thread.Abort--終止線程；向當前線程拋一個異常然后終結任務；線程屬於OS資源，可能不會立即停下來。非常不建議這樣子去做，該方法現在也被微軟給廢棄了。
    //Task不能外部終止任務，只能自己終止自己(上帝才能打敗自己)

    //cts有個bool屬性IsCancellationRequested 初始化是false
    //調用Cancel方法后變成true(不能再變回去),可以重復Cancel
    try
    {
        CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
        List<Task> taskList = new List<Task>();
        for (int i = 0; i < 50; i++)
        {
            string name = $"btnThreadCore_Click_{i}";
            taskList.Add(Task.Run(() =>
            {
                try
                {
                    if (!cts.IsCancellationRequested)
                        Console.WriteLine($"This is {name} 開始 ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}");

                    Thread.Sleep(new Random().Next(50, 100));

                    if (name.Equals("btnThreadCore_Click_11"))
                    {
                        throw new Exception("btnThreadCore_Click_11異常");
                    }
                    else if (name.Equals("btnThreadCore_Click_12"))
                    {
                        throw new Exception("btnThreadCore_Click_12異常");
                    }
                    else if (name.Equals("btnThreadCore_Click_13"))
                    {
                        cts.Cancel();
                    }
                    if (!cts.IsCancellationRequested)
                    {
                        Console.WriteLine($"This is {name}成功結束 ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}");
                    }
                    else
                    {
                        Console.WriteLine($"This is {name}中途停止 ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}");
                        return;
                    }
                } catch (Exception ex) { Console.WriteLine(ex.Message); cts.Cancel(); }
            }, cts.Token));
            //加參數cts.Token目的是：在Cancel時還沒有啟動的任務，就不啟動了。
            //但是所有沒有啟動的任務都會拋出一個異常cts.Token.ThrowIfCancellationRequested
        }
        //1 准備cts  2 try-catch-cancel  3 Action要隨時判斷IsCancellationRequested
        //盡快停止，肯定有延遲，在判斷環節才會結束

        Task.WaitAll(taskList.ToArray());

        //如果線程還沒啟動，能不能就別啟動了？加參數cts.Token
        //1 啟動線程傳遞Token  2 異常抓取  
        //在Cancel時還沒有啟動的任務，就不啟動了；也是拋異常，cts.Token.ThrowIfCancellationRequested
    }
    catch (AggregateException aex)
    {
        foreach (var exception in aex.InnerExceptions)
        {
            Console.WriteLine(exception.Message);
        }
    }
    catch (Exception ex)
    {
        Console.WriteLine(ex.Message);
    }
}

#endregion 線程取消

CancellationTokenSource有個bool屬性IsCancellationRequested，初始化是false，調用Cancel方法后變成true(不能再變回去)，可以重復Cancel。cts是線程安全的。

值得一提的是，使用Task.Run啟動線程的時候還傳了一個cts.Token的參數，目的是：調用Cancel方法后還沒有啟動的任務，就不啟動了，實現原理是所有沒有啟動的任務都會拋出一個System.Threading.Tasks.TaskCanceledException類型的異常，異常描述為“已取消一個任務”，拋出異常后任務自然也就終止了。一般情況下我們不會主動的去捕獲這種異常，

那如果想看到這種異常信息的話可以通過Task.WaitAll(taskList.ToArray())加上try{...}catch (AggregateException aex){...}這種方式去捕獲該類型的異常。

PS：可以發現上面的這段代碼在線程內部的地方加了一個異常捕獲，工作中常規建議：多線程的委托里面不允許異常，包一層try-catch，然后記錄下來異常信息，完成需要的操作。

注意：此處的線程停止也只能說是盡快停止，肯定有延遲，在判斷環節才會結束。

三、多線程的臨時變量問題

#region 多線程的臨時變量問題

{
    //多線程的臨時變量問題，線程是非阻塞的，延遲啟動的；線程執行的時候，i已經是5了。
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        Task.Run(() =>
        {
            //此處i都是5
            Console.WriteLine($"This is btnThreadCore_Click_{i} ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}");
        });
    }


    //k是閉包里面的變量，每次循環都有一個獨立的k
    //5個k變量  1個i變量
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        int k = i;
        Task.Run(() =>
        {
            Console.WriteLine($"This is btnThreadCore_Click_{i}_{k} ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}");
        });
    }
}

#endregion 多線程的臨時變量問題

運行結果如下：

四、線程安全和鎖lock

線程安全：如果你的代碼在進程中有多個線程同時運行這一段，如果每次運行的結果都跟單線程運行時的結果一致，那么就是線程安全的。

線程安全問題一般都是有全局變量/共享變量/靜態變量/硬盤文件/數據庫的值，只要是多線程都能訪問和修改的就有可能是非線程安全。

非線程安全是因為多個線程相同操作，出現了覆蓋，那要怎么解決？

方案1：使用lock解決多線程沖突（現在一般不推薦使用這個，會限制並發）

lock是語法糖，Monitor.Enter，占據一個引用，別的線程就只能等着。

推薦鎖是private static readonly object lockObj = new object();

首先我們來看下lock的標准寫法：

//字段
private static readonly object lockObj = new object();
private int iNumSync = 0;
private int iNumAsync = 0; //非線程安全
private int iNumLockAsync = 0;
private List<int> iListAsync = new List<int>();

{
    for (int i = 0; i < 10000; i++)
    {
        this.iNumSync++; //單線程
    }

    for (int i = 0; i < 10000; i++)
    {
        Task.Run(() =>
        {
            this.iNumAsync++; //非線程安全
        });
    }

    for (int i = 0; i < 10000; i++)
    {
        Task.Run(() =>
        {
            //lock的標准寫法
            //推薦鎖是private static readonly object lockObj = new object();
            lock (lockObj) //任意時刻只有一個線程能進入方法塊，這不就變成了單線程，限制了並發
            {
                this.iNumLockAsync++;
            }
        });
    }

    for (int i = 0; i < 10000; i++)
    {
        int k = i;
        Task.Run(() => this.iListAsync.Add(k)); //非線程安全
    }

    Thread.Sleep(5 * 1000);
    Console.WriteLine($"iNumSync={this.iNumSync} iNumAsync={this.iNumAsync} iNumLockAsync={iNumLockAsync} listNum={this.iListAsync.Count}");
    //結果：iNumSync=1000 、 iNumAsync=1到1000之間 、 iNumLockAsync=1000 、 this.iListAsync.Count=1到1000之間
}

運行結果如下：

使用lock雖然可以解決線程安全問題，但是同時也限制了並發。

使用lock的注意點：

　　A 不能是lock(null)，可以編譯但不能運行；

　　B 不推薦lock(this)，外面如果也要用實例，就沖突了；

　　C 不應該是lock(string字符串)，string在內存分配上是重用的，會沖突；

　　D lock里面的代碼不要太多，這里是單線程的；

下面我們來看些例子：

為什么不推薦lock(this)？

public class Test
{
    private int iDoTestNum = 0;
    private string name = "浪子天涯";

    /// <summary>
    /// 鎖this會和外部鎖對象實例沖突
    /// </summary>
    public void DoTest()
    {
        //遞歸調用，lock (this)  會不會死鎖？ 正確答案是不會死鎖！
        //這里是同一個線程，這個引用就是被這個線程所占據。
        lock (this)
        {
            Thread.Sleep(500);
            this.iDoTestNum++;
            if (this.iDoTestNum < 10)
            {
                Console.WriteLine($"This is {this.iDoTestNum}次 {DateTime.Now.Day}");
                this.DoTest();
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("28號，課程結束！！");
            }
        }
    }

    /// <summary>
    /// 此次鎖字符串會和外部鎖值相同的字符串沖突
    /// 這是因為相同的字符串會被指向同一塊引用，這就相當於鎖同一個引用，即同一個鎖
    /// </summary>
    public void DoTestString()
    {
        //此次不會死鎖
        //這里是同一個線程，這個引用就是被這個線程所占據。
        lock (this.name)
        {
            Thread.Sleep(500);
            this.iDoTestNum++;
            if (this.iDoTestNum < 10)
            {
                Console.WriteLine($"This is {this.iDoTestNum}次 {DateTime.Now.Day}");
                this.DoTestString();
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("28號，課程結束！！");
            }
        }
    }
}

#region 線程安全和鎖lock

{
    //線程安全：如果你的代碼在進程中有多個線程同時運行這一段，如果每次運行的結果都跟單線程運行時的結果一致，那么就是線程安全的。
    //線程安全問題一般都是有全局變量/共享變量/靜態變量/硬盤文件/數據庫的值，只要是多線程都能訪問和修改的就有可能是非線程安全。
    //非線程安全是因為多個線程相同操作，出現了覆蓋，那要怎么解決？

    //1、使用lock解決多線程沖突
    //lock是語法糖，Monitor.Enter，占據一個引用，別的線程就只能等着。
    //推薦鎖是private static readonly object lockObj = new object();
    //A 不能是lock(null)，可以編譯但不能運行；
    //B 不推薦lock(this)，外面如果也要用實例，就沖突了；
    //C 不應該是lock(string字符串)，string在內存分配上是重用的，會沖突；
    //D lock里面的代碼不要太多，這里是單線程的；

    Test test = new Test();
    Task.Delay(1000).ContinueWith(t =>
    {
        lock (test) //和Test內部的lock(this)是同一個鎖，故此次盡管是子線程也要排隊等待
        {
            Console.WriteLine("*********lock(this) Start*********");
            Thread.Sleep(2000);
            Console.WriteLine("*********lock(this) End*********");
        }
    });
    test.DoTest();
}

#endregion 線程安全和鎖lock

運行結果如下：

仔細觀察會發現Task子線程的任務會等到test.DoTest()的任務執行完后才會執行，這是為什么呢？

有些人可能就會有疑問了，此處鎖this和鎖test實例看上去應該是2把鎖，互不影響才對啊，那為什么又會沖突呢？

實際上此處的this和test是同一個實例，那么鎖的當然也是同一個引用，故相當於是同一把鎖。

那又為什么不應該鎖string字符串呢？

我們在上面的例子上做一些調整如下所示：

#region 線程安全和鎖lock

{
    //線程安全：如果你的代碼在進程中有多個線程同時運行這一段，如果每次運行的結果都跟單線程運行時的結果一致，那么就是線程安全的。
    //線程安全問題一般都是有全局變量/共享變量/靜態變量/硬盤文件/數據庫的值，只要是多線程都能訪問和修改的就有可能是非線程安全。
    //非線程安全是因為多個線程相同操作，出現了覆蓋，那要怎么解決？

    //1、使用lock解決多線程沖突
    //lock是語法糖，Monitor.Enter，占據一個引用，別的線程就只能等着。
    //推薦鎖是private static readonly object lockObj = new object();
    //A 不能是lock(null)，可以編譯但不能運行；
    //B 不推薦lock(this)，外面如果也要用實例，就沖突了；
    //C 不應該是lock(string字符串)，string在內存分配上是重用的，會沖突；
    //D lock里面的代碼不要太多，這里是單線程的；

    {
        //    Test test = new Test();
        //    Task.Delay(1000).ContinueWith(t =>
        //    {
        //        lock (test) //和Test內部的lock(this)是同一個鎖，故此次盡管是子線程也要排隊等待
        //        {
        //            Console.WriteLine("*********lock(this) Start*********");
        //            Thread.Sleep(2000);
        //            Console.WriteLine("*********lock(this) End*********");
        //        }
        //    });
        //    test.DoTest();
    }

    {
        Test test = new Test();
        string student = "浪子天涯";
        Task.Delay(1000).ContinueWith(t =>
        {
            lock (student)
            {
                Console.WriteLine("*********lock(string) Start*********");
                Thread.Sleep(2000);
                Console.WriteLine("*********lock(string) End*********");
            }
        });
        test.DoTestString();
    }
}

#endregion 線程安全和鎖lock

運行結果如下：

仔細觀察會發現這和lock(this)的效果是一樣的，那這又是為什么呢？

這是由於C#內存分配導致的，相同的字符串會被指向同一塊引用空間，那么此處的鎖this.name變量和鎖student變量就相當於鎖同一個引用，故相當於是同一把鎖。

方案2：線程安全集合

使用System.Collections.Concurrent.ConcurrentQueue<int>等相關操作，System.Collections.Concurrent命名空間下的相關操作是線程安全的。

方案3：數據分拆，避免多線程操作同一個數據，又安全又高效（推薦）

在真實工作中遇到線程不安全的情況，如果有辦法使用數據分拆來解決則推薦使用數據分拆，數據分拆無法解決的時候再考慮使用鎖。

Demo源碼：

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提取碼：7st0

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