C# 多線程入門系列（二）

線程（英語：thread）是操作系統能夠進行運算調度的最小單位。它被包含在進程之中，是進程中的實際運作單位。一條線程指的是進程中一個單一順序的控制流，一個進程中可以並發多個線程，每條線程並行執行不同的任務。進程是資源分配的基本單位。所有與該進程有關的資源，都被記錄在進程控制塊PCB中。以表示該進程擁有這些資源或正在使用它們。本文以一些簡單的小例子，簡述多線程的發展歷程【Thread，ThreadPool，Task，Parallel】，僅供學習分享使用，如有不足之處，還請指正。

Thread

Thread做為早期【.Net Framework1.0】的.Net提供的多線程方案，提供了很多的封裝方法，來操作線程。具體如下所示：

1. Start方法，用於啟動一個線程。線程的狀態變更為Running。
2. Suspend方法，掛起一個線程，或者如果線程狀態為已掛起，則不起作用。
3. Resume方法，如果線程為已掛起，這繼續運行。
4. Join方法，等待線程，直到線程結束，也可以設置等待時間。
5. Abort方法，強制終止線程，跑出ThreadAbortException異常。
6. 其他線程屬性：IsBackground是否后台線程，IsThreadPoolThread是否線程池線程，IsAlive線程是否運行，Priority線程優先級，ThreadState當前線程狀態，ManagedThreadId線程唯一標識等

通過Thread可以單獨的開啟一個線程，通過構造函數來創建線程對象，可以是無參數也可以是帶參數。其中參數ThreadStart是一個無參數委托，ParameterizedThreadStart為一個帶參數委托。

無參數，示例如下所示：

private void btnThread_Click(object sender, EventArgs e)
{
    ThreadStart threadStart = new ThreadStart(DoSomethingLong);
    Thread thread = new Thread(threadStart);
    thread.Start();
}

private void DoSomethingLong() {
    string name = "Thread";
    Console.WriteLine("************DoSomethingLong 開始 name= {0} 線程ID= {1} 時間 = {2}************", name, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.fff"));
    //CPU計算累加和
    long rest = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++)
    {
        rest += i;
    }
    Console.WriteLine("************DoSomethingLong 結束 name= {0} 線程ID= {1} 時間 = {2} 結果={3}************", name, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.fff"), rest);
}

示例結果如下所示：

 

帶參數示例，如下所示：

private void btnThread2_Click(object sender, EventArgs e)
{
    ParameterizedThreadStart threadStart = new ParameterizedThreadStart(DoSomethingLongWithParam);
    Thread thread = new Thread(threadStart);
    string name = "Param";
    thread.Start(name);
}

private void DoSomethingLongWithParam(object name) {
    Console.WriteLine("************DoSomethingLongWithParam 開始 name= {0} 線程ID= {1} 時間 = {2}************", name, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.fff"));
    //CPU計算累加和
    long rest = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++)
    {
        rest += i;
    }
    Console.WriteLine("************DoSomethingLongWithParam 結束 name= {0} 線程ID= {1} 時間 = {2} 結果={3}************", name, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.fff"), rest);
}

帶參數示例結果，如下所示：

通過對以上示例進行分析，得出結論如下所示：

1. 線程是由操作系統進行創建的，Thread提供的方法只是對底層方法的封裝。比如執行對應方法后，操作系統並不會立即執行相應的操作，而要CPU時間片輪轉后才會執行響應。
2. Thread創建線程過於松散，缺乏管理，例如，如果同時創建10000個線程，程序也不會報錯，但是系統可能無法承載如此多的線程而導致崩潰。
3. Thread的頻繁創建和銷毀，也會消耗系統資源。

ThreadPool

為了應對Thread創建缺乏管理的問題，在后續版本【.Net Framework2.0】中推出了線程池的概念。那什么是線程池呢？

池化資源管理設計思想：線程是一種資源，之前每次需要線程，都是去創建線程，使用完成后，再釋放掉。池化，就是做一個容器，容器提前申請指定數量的線程，需要用到線程的時候，直接到線程池中取，用完之后再放回容器【通過控制狀態標識線程是否正在被使用】。避免頻繁的創建和銷毀，容器還會根據限制的數量取申請和釋放。

關於通過線程池創建多線程，具體示例如下：

private void btnThread3_Click(object sender, EventArgs e)
{
    WaitCallback waitCallback = new WaitCallback(DoSomethingLongWithParam);
    string name = "ThreadPool";
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(waitCallback,name);
}

線程池示例執行結果如下所示：

通過對線程池執行結果進行分析，得出結論如下：

1. 兩次執行結果，均為同一個線程ID，說明線程用完並未銷毀，而是放回線程池子，待下次使用時重新取出，繼續使用。
2. 通過線程池可以有效的控制線程並發的數量，避免資源的浪費。
3. 通過分析源碼發現，ThreadPool線程池提供的接口較少，在線程等待和交互方面不太友好。

Task

隨着.Net版本的演化，后續版本【.Net Framework3.0】推出了Task做為多線程解決方案。默認情況下，可以通過構造函數創建Task，示例如下：

1 private void btnTask_Click(object sender, EventArgs e)
2 { 3 Action action = new Action(DoSomethingLong); 4 Task task = new Task(action); 5  task.Start(); 6 }

默認Task示例，執行結果如下：

通過對以上Task示例和源碼進行分析，得出結論如下：

1. Task產生的線程，全部都是線程池線程。
2. Task提供的豐富的API，便於開發實踐。

Parallel

Parallel提供對並行線程的支持，可以通過Parallel同時發起多個線程，在某些方面具有應用優勢，默認示例如下所示：

private void btnParallel_Click(object sender, EventArgs e)
{
    Action action = new Action(DoSomethingLong);
    Parallel.Invoke(action,action,action);
}

Parallel的Invoke方法執行，結果如下：

通過對Parallel的Invoke示例方法進行分析，得出結論如下：

1. Parallel的Invoke方法，可以同時開啟多個線程，同時主線程【線程ID=1】也會參與計算，即頁面也會卡住。
2. Parallel可以通過ParallelOptions.MaxDegreeOfParallelism指定並發數量。

Task專講

以下面的一個場景為例進行說明：

假如開發一個系統，流程如下：
1. 前期的需求調研，需求分析，系統設計，詳細設計（順序執行，是開發編碼的前提）
2.按模塊開發【中間階段，可多人同時工作】
3.測試【順序執行，是開發編碼的后續工作】
分析：以上三個階段，每一個階段又可以細分數個小階段，其中有些階段是順序執行的，有些階段又可以並行執行。

以代碼的形式進行描述，如下所示：

private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)
{
    //開發前的工作
    Console.WriteLine("組建團隊");
    Console.WriteLine("需求分析");
    Console.WriteLine("系統設計");
    Console.WriteLine("詳細設計");
    //開始開發
    Task.Run(() => { Coding("張三", "接口"); });
    Task.Run(() => { Coding("李四", "前端頁面"); });
    Task.Run(() => { Coding("王五", "手機App"); });
    Task.Run(() => { Coding("劉大", "后端業務"); });
    //開發后的工作
    Console.WriteLine("alpha測試");
    Console.WriteLine("beta測試");
    Console.WriteLine("uat測試");
    Console.WriteLine("系統上線");
}

private void Coding(string developer,string model) {
    Console.WriteLine("【Begin】在{0}，{1}開始開發{2}，線程id為{3}", DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff"), developer,model, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    Thread.Sleep(1000);
    Console.WriteLine("【 End 】在{0}，{1}完成開發{2}，線程id為{3}", DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff"), developer, model, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}

示例運行結果，如下所示：

 

 通過分析以上示例，發現程序並未按照預期的運行，很明顯的一點：測試跑到了開發前面。

為了解決上述順序錯亂的問題，Task提供了WaitAll方法，如下所示：

private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)
{
    //開發前的工作
    Console.WriteLine("組建團隊");
    Console.WriteLine("需求分析");
    Console.WriteLine("系統設計");
    Console.WriteLine("詳細設計");
    //開始開發
    List<Task> tasks = new List<Task>();
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("張三", "接口"); }));
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("李四", "前端頁面"); }));
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("王五", "手機App"); }));
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("劉大", "后端業務"); }));
    Task.WaitAll(tasks.ToArray());
    //開發后的工作
    Console.WriteLine("alpha測試");
    Console.WriteLine("beta測試");
    Console.WriteLine("uat測試");
    Console.WriteLine("系統上線");
}

運行示例，結果如下所示：

 

 通過運行以上示例，發現：順序確實符合預期，可以滿足要求，但是程序會卡住，這點不太友好。

如何才能優雅的控制先后順序呢？Task還提供了TaskFactory，如下所示：

private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)
{
    //開發前的工作
    Console.WriteLine("組建團隊");
    Console.WriteLine("需求分析");
    Console.WriteLine("系統設計");
    Console.WriteLine("詳細設計");
    //開始開發
    List<Task> tasks = new List<Task>();
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("張三", "接口"); }));
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("李四", "前端頁面"); }));
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("王五", "手機App"); }));
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("劉大", "后端業務"); }));
    TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
    taskFactory.ContinueWhenAll(tasks.ToArray(), new Action<Task[]>((taskArray) => { 
        //開發后的工作
        Console.WriteLine("alpha測試");
        Console.WriteLine("beta測試");
        Console.WriteLine("uat測試");
        Console.WriteLine("系統上線");
    }));
    
}

TaskFactory示例測試，如下所示：

 

 通過對示例進行分析，得出如下結論：

1. 業務邏輯上已要求，頁面也不會卡頓，優雅的實現了多線程的操作。
2. Task產生的線程，為線程池線程。
3. TaskFactory不僅提供了ContinueWhenAll等待所有線程，還提供了ContinueWhenAny等待任意線程。

備注

以上就是多線程的基礎知識，旨在拋磚引玉，一起學習，共同進步。

古從軍行【作者】李頎 【朝代】唐

白日登山望烽火，黃昏飲馬傍交河。行人刁斗風沙暗，公主琵琶幽怨多。

野雲萬里無城郭，雨雪紛紛連大漠。胡雁哀鳴夜夜飛，胡兒眼淚雙雙落。

聞道玉門猶被遮，應將性命逐輕車。年年戰骨埋荒外，空見蒲桃入漢家。