C#之線程和併發

建議你們對C#撐握的不錯的時候，能夠去看一些開源項目。走技術這條路，就要耐得住寂寞（羣裏雙休日說要讓羣主找妹子進羣的人必須反思），練好內功。不撐握C#高級知識點，別想看懂優秀的開源項目，更別期望吸取其編程思想；你的水平，隨時能夠被一個實習生代替！切記不能浮躁！

本文講線程和併發，這塊知識點太多太多了，不可能用一篇文章寫的面面具到（自己主題就是C#高級知識概要嘛），我所瞭解的也有限。但對於Web開發，我想本文的知識點應該足夠，若是後面有遇到本文沒講的，後面再補充吧。

本文目錄：

• 線程的簡單使用
• 併發和異步的區別
• 併發控制 - 鎖
• 線程的信號機制
• 線程池中的線程
• 案例：支持併發的異步日誌組件
• 結語

線程的簡單使用

常見的併發和異步大可能是基於線程來實現的，因此本文先講線程的簡單使用方法。

使用線程，咱們須要引用System.Threading命名空間。建立一個線程最簡單的方法就是在 new 一個 Thread，並傳遞一個ThreadStart委託（無參數）或ParameterizedThreadStart委託（帶參數），以下：

class Program { static void Main(string[] args) { // 使用無參數委託ThreadStart Thread t = new Thread(Go); t.Start(); // 使用帶參數委託ParameterizedThreadStart Thread t2 = new Thread(GoWithParam); t2.Start("Message from main."); t2.Join();// 等待線程t2完成。  Console.WriteLine("Thread t2 has ended!"); Console.ReadKey(); } static void Go() { Console.WriteLine("Go!"); } static void GoWithParam(object msg) { Console.WriteLine("Go With Param! Message: " + msg); Thread.Sleep(1000);// 模擬耗時操做  } }

運行結果：

線程的用法，咱們只須要了解這麼多。下面咱們再來經過一段代碼來說講併發和異步。

併發和異步的區別

關於併發和異步，咱們先來寫一段代碼，模擬多個線程同時寫1000條日誌：

class Program { static void Main(string[] args) { Thread t1 = new Thread(Working); t1.Name = "Thread1"; Thread t2 = new Thread(Working); t2.Name = "Thread2"; Thread t3 = new Thread(Working); t3.Name = "Thread3"; // 依次啓動3個線程。  t1.Start(); t2.Start(); t3.Start(); Console.ReadKey(); } // 每一個線程都同時在工做 static void Working() { // 模擬1000次寫日誌操做 for (int i = 0; i < 1000; i++) { // 異步寫文件 Logger.Write(Thread.CurrentThread.Name + " writes a log: " + i + ", on " + DateTime.Now.ToString() + ".\n"); }// 作一些其它的事件 for (int i = 0; i < 1000; i++) { } } }

代碼很簡單，相信你們都能看得懂。Logger 你們能夠把它看作是一個寫日誌的組件，先不關心它的具體實現，只要知道它是一個提供了寫日誌功能的組件就行。

那麼，這段代碼跟併發和異步有什麼關係呢？

咱們先用一張圖來描述這段代碼：

觀察上圖，3個線程同時調用Logger寫日誌，對於Logger來講，3個線程同時交給了它任務，這種狀況就是併發。對於其中一個線程來講，它在工做過程當中，在某個時間請求Logger幫它寫日誌，同時又繼續在本身的其它工做，這種狀況就是異步。

（經讀者反饋，爲不「誤導」讀者（儘管我我的不以爲是誤導。以前個人定義和解釋不全面，沒有從操做系統和CPU層次去區分這兩個概念。個人文章不喜歡搬教科書，只是想用通俗易讀的白話讓你們理解），爲了知識的專業性和嚴謹，現已把我理解的對併發和異步的定義刪除，感謝園友們的熱心討論）。

 

接下來，咱們繼續講幾個頗有用的有關線程和併發的知識 - 鎖、信號機制和線程池。

併發控制 - 鎖

CLR 會爲每一個線程分配本身的內存堆空間，以使他們的本地變量保持分離互不干擾。

線程之間也能夠共享通用的數據，好比同一對象的某個屬性或全局靜態變量。但線程間共享數據是存在安全問題的。舉個例子，下面的主線程和新線程共享了變量done，done用來標識某件事已經作過了（告訴其它線程不要再重複作了）：

class Program { static bool done; static void Main(string[] args) { new Thread(Go).Start(); // 在新的線程上調用Go Go(); // 在主線程上調用Go  Console.ReadKey(); } static void Go() { if (!done) { Thread.Sleep(500); // 模擬耗時操做 Console.WriteLine("Done"); done = true; } } }

輸出結果：

輸出了兩個「Done」，事件被作了兩次。因爲沒有控制好併發，這就出現了線程的安全問題，沒法保證數據的狀態。

要解決這個問題，就須要用到鎖（Lock，也叫排它鎖或互斥鎖）。使用lock語句，能夠保證共享數據只能同時被一個線程訪問。lock的數據對象要求是不能null的引用類型的對象，因此lock的對象需保證不能爲空。爲此須要建立一個不爲空的對象來使用鎖，修改一下上面的代碼以下：

class Program { static bool done; static object locker = new object(); // ！！ static void Main(string[] args) { new Thread(Go).Start(); // 在新的線程上調用Go Go(); // 在主線程上調用Go  Console.ReadKey(); } static void Go() { lock (locker) { if (!done) { Thread.Sleep(500); // Doing something. Console.WriteLine("Done"); done = true; } } } }

再看結果：

使用鎖，咱們解決了問題。但使用鎖也會有另一個線程安全問題，那就是「死鎖」，死鎖的機率很小，但也要避免。保證「上鎖」這個操做在一個線程上執行是避免死鎖的方法之一，這種方法在下文案例中會用到。

這裏咱們就不去深刻研究「死鎖」了，感興趣的朋友能夠去查詢相關資料。

線程的信號機制

有時候你須要一個線程在接收到某個信號時，纔開始執行，不然處於等待狀態，這是一種基於信號的事件機制。.NET框架提供一個ManualResetEvent類來處理這類事件，它的 WaiOne 實例方法可以使當前線程一直處於等待狀態，直到接收到某個信號。它的Set方法用於打開發送信號。下面是一個信號機制的使用示例：

static void Main(string[] args) { var signal = new ManualResetEvent(false); new Thread(() => { Console.WriteLine("Waiting for signal..."); signal.WaitOne(); signal.Dispose(); Console.WriteLine("Got signal!"); }).Start(); Thread.Sleep(2000); signal.Set();// 打開「信號」  Console.ReadKey(); }

運行結果：

當執行Set方法後，信號保持打開狀態，可經過Reset方法將其關閉，若再也不須要，經過Dispose將其釋放。若是預期的等待時間很短，能夠用ManualResetEventSlim代替ManualResetEvent，前者在等待時間較短時性能更好。信號機制很是有用，後面的日誌案例會用到它。

線程池中的線程

線程池中的線程是由CLR來管理的。在下面兩種條件下，線程池能起到最好的效用：

• 任務運行的時候比較短（<250ms），這樣CLR能夠充分調配現有的空閒線程來處理該任務；
• 大量時間處於等待（或阻塞）的任務不去支配線程池的線程。

要使用線程中的線程，主要有下面兩種方式：

// 方式1：Task.Run，.NET Framework 4.5 纔有 Task.Run (() => Console.WriteLine ("Hello from the thread pool")); // 方式2：ThreadPool.QueueUserWorkItem ThreadPool.QueueUserWorkItem (t => Console.WriteLine ("Hello from the thread pool"));

線程池使得線程能夠充分有效地被使用，減小了任務啓動的延遲。可是不是全部的狀況都適合使用線程池中的線程，好比下面要講的日誌案例 - 異步寫文件。

這裏講線程池，是爲了讓你們大體瞭解何時用線程池中的線程，何時不用。即，耗時長或有阻塞狀況的不用線程池中的線程。

建立不走線程池中的線程，能夠直接經過new Thread來建立，也能夠經過下面的代碼來建立：

Task task = Task.Factory.StartNew (() => ...,TaskCreationOptions.LongRunning);// 注意必須帶TaskCreationOptions.LongRunning參數

這裏用到了Task，你們不用關心它，後續博文會詳細講。

關於線程的知識不少，這裏再也不深刻了，由於這些已經足夠讓咱們應付Web開發了。

案例：支持併發的異步日誌組件

上文的「併發和異步的區別」的代碼中咱們用到了一個Logger類，如今咱們就來作一個這樣的Logger。

基於上面的知識，咱們能夠實現應用程序的併發寫日誌日誌功能。在應用程序中，寫日誌是常見的功能，簡單分析一下該功能的需求：

1. 在後臺異步執行，和其它線程互不影響。 根據上文線程池的兩個最優使用條件，由寫日誌線程會長時間處於阻塞（或運行等待）狀態，因此它不適合使用線程池。即不能使用Task.Run，而最好使用new Thread。
2. 支持併發，即多個任務（分佈在不一樣線程上）可同時調用寫日誌功能，但需保證線程安全。 支持併發，必然要用到鎖，但要徹底保證線程安全，那就要想辦法避免「死鎖」。只要咱們把「上鎖」的操做始終由同一個線程來作便可避免「死鎖」問題，但這樣的話，併發請求的任務只能放在隊列中由該線程依次執行（由於是後臺執行，無需即時響應用戶，因此能夠這麼作）。
3. 單個實例，單個線程。 任何地方調用寫日誌功能都調用的是同一個Logger實例（顯然不能每次寫日誌都新建一個實例），即需使用單例模式。無論有多少任務調用寫日誌功能，都必須始終使用同一個線程來處理這些寫日誌操做，以保證不佔用過多的線程資源和避免新建線程帶來的延遲。

運用上面的知識，咱們來寫一個這樣的類。簡單理一下思路：

1. 須要一個用來存放寫日誌任務的隊列。
2. 須要有一個信號機制來標識是否有新的任務要執行。
3. 當有新的寫日誌任務時，將該任務加入到隊列中，併發出信號。
4. 用一個方法來處理隊列中的任務，當接收新任務信號時，就依次調用隊列中的任務。

開發一個功能前須要有個簡單的思路，保證內心面有底。具體開發的時候會發現問題，而後再去補充擴展和完善等。剛開始很難想得太周全，先有個簡單的思路，而後代碼寫起來！

下面是這樣一個Logger類初步實現：

public class Logger { // 用於存放寫日誌任務的隊列 private Queue<Action> _queue; // 用於寫日誌的線程 private Thread _loggingThread; // 用於通知是否有新日誌要寫的「信號器」 private ManualResetEvent _hasNew; // 構造函數，初始化。 private Logger() { _queue = new Queue<Action>(); _hasNew = new ManualResetEvent(false); _loggingThread = new Thread(Process); _loggingThread.IsBackground = true; _loggingThread.Start(); } // 使用單例模式，保持一個Logger對象 private static readonly Logger _logger = new Logger(); private static Logger GetInstance() { /* 不安全代碼 lock (locker) { if (_logger == null) { _logger = new Logger(); } }*/ return _logger; } // 處理隊列中的任務 private void Process() { while (true) { // 等待接收信號，阻塞線程。  _hasNew.WaitOne(); // 接收到信號後，重置「信號器」，信號關閉。  _hasNew.Reset(); // 因爲隊列中的任務可能在極速地增長，這裏等待是爲了一次能處理更多的任務，減小對隊列的頻繁「進出」操做。 Thread.Sleep(100); // 開始執行隊列中的任務。 // 因爲執行過程當中還可能會有新的任務，因此不能直接對原來的 _queue 進行操做， // 先將_queue中的任務複製一份後將其清空，而後對這份拷貝進行操做。  Queue<Action> queueCopy; lock (_queue) { queueCopy = new Queue<Action>(_queue); _queue.Clear(); } foreach (var action in queueCopy) { action(); } } } private void WriteLog(string content) { lock (_queue) { // todo: 這裏存在線程安全問題，可能會發生阻塞。 // 將任務加到隊列 _queue.Enqueue(() => File.AppendAllText("log.txt", content)); } // 打開「信號」  _hasNew.Set(); } // 公開一個Write方法供外部調用 public static void Write(string content) { // WriteLog 方法只是向隊列中添加任務，執行時間極短，因此使用Task.Run。 Task.Run(() => GetInstance().WriteLog(content)); } }

類寫好了，用上文「併發和異步的區別」中的代碼測試一下這個Logger類，在個人電腦上運行的一次結果：

 共3000條日誌，結果沒有問題。

上面的Logger類註釋寫得很詳細，我就再也不解析了。

經過這個示例，目的是讓你們掌握線程和併發在開發中的基本應用和要注意的問題。

遺憾的是這個Logger類並不完美，並且存在線程安全問題（代碼中用紅色字體標出），雖然實際環境機率很小。可能上面代碼屢次運行都很難看到有異常發生（我屢次運行未發生異常），但同時再添加幾個線程可能就會有問題了。

那麼，如何解決這個線程安全問題呢？