.NET異步和多線程系列（一）

時間  2020-09-14
標籤 異步 多線程 系列 欄目 Java 简体版
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本系列將和你們分享.Net中的異步多線程，本文是該系列的開篇。首先來看些概念：html

進程：計算機概念，虛擬的概念，程序在服務器運行時佔據所有計算資源的總和，咱們給它起個名字叫進程。數據庫

線程：計算機概念，虛擬的概念，進程在響應操做時最小單位，也包含CPU 內存  網絡  硬盤IO。服務器

多線程：計算機概念，一個進程有多個線程同時運行。網絡

進程與線程的區別：多線程

　　一、線程是程序執行的最小單位，而進程是操做系統分配資源的最小單位；併發

　　二、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一樣執行路線。框架

　　三、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餘進程不可見；異步

　　四、調度和切換：線程上下文切換比進程上下文切換要快得多。async

　　五、包含關係：沒有線程的進程能夠看做是單線程的。若是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，因此線程也被稱爲輕權進程或者輕量級進程。函數

線程和進程關係示意圖：

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，線程和進程均可用於實現併發。在早期的操做系統中並無線程的概念，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，它至關於一個進程裏只有一個線程，進程自己就是線程。因此線程有時被稱爲輕量級進程。

後來，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愈來愈高，就抽象出一個更小的概念——線程，通常一個進程會有多個(也能夠是一個)線程。

任務調度：大部分操做系統的任務調度是採用時間片輪轉的搶佔式調度方式，也就是說一個任務執行一小段時間後強制暫停去執行下一個任務，每一個任務輪流執行。任務執行的一小段時間叫作時間片，任務正在執行時的狀態叫運行狀態，任務執行一段時間後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。這樣每一個任務都能獲得執行，因爲CPU的執行效率很是高，時間片很是短，在各個任務之間快速地切換，給人的感受就是多個任務在「同時進行」，這也就是咱們所說的併發。

爲什麼不使用多進程而是使用多線程？

線程廉價，線程啓動比較快，退出比較快，對系統資源的衝擊也比較小。並且線程彼此分享了大部分核心對象(File Handle)的擁有權。若是使用多重進程，它是不可預期的，且測試困難。

爲何能夠多線程呢？

　　一、多個CPU的核能夠並行工做，4核8線程，這裏的線程指的是模擬核。

　　二、CPU分片，1s的處理能力分紅1000份，操做系統調度着去響應不一樣的任務。從宏觀角度來講，感受就是多個任務在併發執行，從微觀角度來講，一個物理cpu同一時刻只能爲一個任務服務。

並行和併發：多核之間的叫並行，CPU分片的叫併發。

同步和異步：

　　同步方法：發起調用，完成後才繼續下一行；很是符合開發思惟，有序執行。

　　異步方法：發起調用，不等待完成，直接進入下一行，啓動一個新線程來完成方法的計算。

 

至此相關概念介紹完了，下面咱們正式進入本章主題：

C#裏面的多線程：Thread類是C#語言對線程對象的一個封裝。

爲了演示此處咱們使用VS2017建個Windows窗體應用程序MyAsyncThread，目標框架爲：.NET Framework 4.6.1，以下所示：

此外，若是你們有使用過異步多線程的都知道，咱們的異步多線程是很差調試的，通常咱們會採用輸出一些信息等方法來輔助咱們調試和理解。對此咱們有個小技巧，就是將應用程序的輸出類型改成控制檯應用程序，這樣咱們在啓動程序的時候就會有2個窗口，一個是應用程序窗口，另一個是控制檯窗口。以下所示：

設置完，啓動後就有2個窗口了，以下所示：

首先咱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，點擊同步方法後，會發現若是控制檯還未輸出完，此時WinForm窗口會卡在那裏，沒法拖動：

若是咱們使用委託的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");

    //委託自身須要的參數+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（開啓一個子線程去完成）
    }

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

此時控制檯輸出結果以下：

點擊異步方法去執行，會發現立刻能夠拖動WinForm窗口，並不會像同步方法那樣卡界面。那這是爲何呢？

經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：主線程閒置，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，由於5個線程併發計算
///   12658ms   3636ms  不到4倍   CPU密集型計算(資源受限)
///   10126ms   2075ms  差很少5倍，也不到5倍，Sleep(資源夠用)
///   多線程實際上是資源換性能，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！這就是一個操做，無法並行
///   須要查詢數據庫/調用接口/讀硬盤文件/作數據計算，能不能多線程優化下性能？ 能夠，多個任務能夠並行
///   線程不是越多越好，由於資源有限，並且調用有損耗
///   
/// 3 同步方法有序進行，異步多線程無序
///   啓動無序：線程資源是向操做系統申請的，由操做系統的調度策略決定，因此啓動順序隨機
///   同一個任務同一個線程，執行時間也不肯定，CPU分片
///   以上相加，結束也無序
///   使用多線程請必定當心，不少事兒不是至關然的，尤爲是多線程操做間有順序要求的時候，
///   經過延遲一點啓動來控制順序？或者預計下結束順序？  這些都不靠譜！
///   
///   須要控制順序，晚點分解！
/// </summary>

若是咱們想在異步方法調用完以後再執行某些業務邏輯的話要怎麼實現呢？（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：將後續動做經過回調參數傳遞進去，子線程完成計算後，去調用這個回調委託
    IAsyncResult asyncResult = null; //IAsyncResult是對異步調用操做的描述
    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」爲回調傳參

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

執行結果以下：

方法2：經過asyncResult.IsCompleted屬性

爲了演示此處將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：將後續動做經過回調參數傳遞進去，子線程完成計算後，去調用這個回調委託
    IAsyncResult asyncResult = null; //IAsyncResult是對異步調用操做的描述
    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」爲回調傳參

    //2 經過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); //放在這裏不合適，由於有延遲，主線程在等待過程當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); //放在這裏比較合適
    }
    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：

此處比咱們預想的多了一個「...99.999999%」，那是由於有延遲，主線程在等待過程當中的子線程可能已經完成了。故須要對Thread.Sleep(200)的位置作一個調整。

/// <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：將後續動做經過回調參數傳遞進去，子線程完成計算後，去調用這個回調委託
    IAsyncResult asyncResult = null; //IAsyncResult是對異步調用操做的描述
    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」爲回調傳參

    //2 經過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); //放在這裏不合適，由於有延遲，主線程在等待過程當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); //放在這裏比較合適
    }
    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，並且能夠獲取委託的返回值 一個異步操做只能End一次
    action.EndInvoke(asyncResult); //等待某次異步調用操做結束
}
{
    Func<int> func = () =>
    {
        Thread.Sleep(2000);
        return DateTime.Now.Hour;
    };
    int iResult = func.Invoke();
    IAsyncResult asyncResult = func.BeginInvoke(ar =>
    {
        //int iEndResultIn = func.EndInvoke(ar); //在這裏執行也是能夠的，可是一個異步操做只能EndInvoke一次
    }, null);
    int iEndResult = func.EndInvoke(asyncResult); //能夠獲取委託的返回值

    Console.WriteLine($"iResult:{iResult}--iEndResult:{iEndResult}");
}

 

Demo源碼：

連接：https://pan.baidu.com/s/1qCXi1HsgBv_uFROIMfFYsw 
提取碼：1nb4

本文概念部分參考博文：https://www.cnblogs.com/qianqiannian/p/7010909.html

此文由博主精心撰寫轉載請保留此原文連接：https://www.cnblogs.com/xyh9039/p/13543651.html　　　 

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