C#的多線程簡介

C#的多線程簡介

     在.NET多線程編程這個系列咱們講一塊兒來探討多線程編程的各個方面。首先我將在本篇文章的開始向你們介紹多線程的有關概念以及多線程編程的基礎知識;在接下來的文章中,我將逐一講述。NET平臺上多線程編程的知識,諸如System.Threading命名空間的重要類以及方法,並就一些例子程序來做說明。
 
引言
 
早期的計算硬件十分複雜,可是操做系統執行的功能確十分的簡單。那個時候的操做系統在任一時間點只能執行一個任務,也就是同一時間只能執行一個程序。多個任務的執行必須得輪流執行,在系統裏面進行排隊等候。因爲計算機的發展,要求系統功能愈來愈強大，這個時候出現了分時操做的概念：每一個運行的程序佔有必定的處理機時間,當這個佔有時間結束後,在等待隊列等待處理器資源的下一個程序就開始投入運行。注意這裏的程序在佔有必定的處理器時間後並無運行完畢，可能須要再一次或屢次分配處理器時間。那麼從這裏能夠看出，這樣的執行方式顯然是多個程序的並行執行，可是在宏觀上，咱們感受到多個任務是同時執行的，所以多任務的概念就誕生了。每一個運行的程序都有本身的內存空間,本身的堆棧和環境變量設置。每個程序對應一個進程，表明着執行一個大的任務。一個進程能夠啓動另一個進程,這個被啓動的進程稱爲子進程。父進程和子進程的執行只有邏輯上的前後關係，並無其餘的關係，也就是說他們的執行是獨立的。可是，可能一個大的程序（表明着一個大的任務）,能夠分割成不少的小任務，爲了功能上的須要也有多是爲了加快運行的速度，可能須要同一時間執行多個任務(每一個任務分配一個多線程來執行相應的任務)。舉個例子來講,你正在經過你的web瀏覽器查看一些精彩的文章，你須要把好的文章給下載下來，可能有些很是精彩的文章你須要收藏起來，你就用你的打印機打印這些在線的文章。在這裏，瀏覽器一邊下載HTML格式的文章，一邊還要打印文章。這就是一個程序同時執行多個任務，每一個任務分配一個線程來完成。所以咱們能夠看出一個程序同時執行多個任務的能力是經過多線程來實現的。
 
多線程VS多任務
 
正如上面所說的,多任務是相對與操做系統而言,指的是同一時間執行多個程序的能力,雖然這麼說,可是實際上在只有一個CPU的條件下不可能同時執行兩個以上的程序。CPU在程序之間作高速的切換,使得全部的程序在很短的時間以內能夠獲得更小的CPU時間,這樣從用戶的角度來看就好象是同時在執行多個程序。多線程相對於操做系統而言,指的是能夠同時執行同一個程序的不一樣部分的能力,每一個執行的部分被成爲線程。因此在編寫應用程序時,咱們必須得很好的設計以免不一樣的線程執行時的相互干擾。這樣有助於咱們設計健壯的程序,使得咱們能夠在隨時須要的時候添加線程。
 
線程的概念
 
線程能夠被描述爲一個微進程,它擁有起點,執行的順序系列和一個終點。它負責維護本身的堆棧,這些堆棧用於異常處理,優先級調度和其餘一些系統從新恢復線程執行時須要的信息。從這個概念看來，好像線程與進程沒有任何的區別，實際上線程與進程是確定有區別的：
一個完整的進程擁有本身獨立的內存空間和數據,可是同一個進程內的線程是共享內存空間和數據的。一個進程對應着一段程序,它是由一些在同一個程序裏面獨立的同時的運行的線程組成的。線程有時也被稱爲並行運行在程序裏的輕量級進程,線程被稱爲是輕量級進程是由於它的運行依賴與進程提供的上下文環境,而且使用的是進程的資源。
在一個進程裏,線程的調度有搶佔式或者非搶佔的模式。
在搶佔模式下，操做系統負責分配ＣＰＵ時間給各個進程，一旦當前的進程使用完分配給本身的ＣＰＵ時間，操做系統將決定下一個佔用ＣＰＵ時間的是哪個線程。所以操做系統將按期的中斷當前正在執行的線程，將ＣＰＵ分配給在等待隊列的下一個線程。因此任何一個線程都不能獨佔ＣＰＵ。每一個線程佔用ＣＰＵ的時間取決於進程和操做系統。進程分配給每一個線程的時間很短,以致於咱們感受全部的線程是同時執行的。實際上,系統運行每一個進程的時間有2毫秒,而後調度其餘的線程。它同時他維持着全部的線程和循環,分配不多量的ＣＰＵ時間給線程。 線程的的切換和調度是如此之快,以致於感受是全部的線程是同步執行的。
 
調度是什麼意思?調度意味着處理器存儲着將要執行完ＣＰＵ時間的進程的狀態和未來某個時間裝載這個進程的狀態而恢復其運行。然而這種方式也有不足之處,一個線程能夠在任何給定的時間中斷另一個線程的執行。假設一個線程正在向一個文件作寫操做,而另一個線程中斷其運行,也向同一個文件作寫操做。 Windows 95/NT, UNIX使用的就是這種線程調度方式。
在非搶佔的調度模式下,每一個線程能夠須要ＣＰＵ多少時間就佔用ＣＰＵ多少時間。在這種調度方式下,可能一個執行時間很長的線程使得其餘全部須要ＣＰＵ的線程」餓死」。在處理機空閒，即該進程沒有使用ＣＰＵ時，系統能夠容許其餘的進程暫時使用ＣＰＵ。佔用ＣＰＵ的線程擁有對ＣＰＵ的控制權，只有它本身主動釋放ＣＰＵ時，其餘的線程纔可使用ＣＰＵ。一些I/O和Windows 3。x就是使用這種調度策略。
在有些操做系統裏面，這兩種調度策略都會用到。非搶佔的調度策略在線程運行優先級通常時用到，而對於高優先級的線程調度則多采用搶佔式的調度策略。若是你不肯定系統採用的是那種調度策略，假設搶佔的調度策略不可用是比較安全的。在設計應用程序的時候，咱們認爲那些佔用ＣＰＵ時間比較多的線程在必定的間隔是會釋放ＣＰＵ的控制權的，這時候系統會查看那些在等待隊列裏面的與當前運行的線程同一優先級或者更高的優先級的線程，而讓這些線程得以使用ＣＰＵ。若是系統找到一個這樣的線程，就當即暫停當前執行的線程和激活知足條件的線程。若是沒有找到同一優先級或更高級的線程，當前線程還繼續佔有ＣＰＵ。當正在執行的線程想釋放ＣＰＵ的控制權給一個低優先級的線程，當前線程就轉入睡眠狀態而讓低優先級的線程佔有ＣＰＵ。
在多處理器系統，操做系統會將這些獨立的線程分配給不一樣的處理器執行，這樣將會大大的加快程序的運行。線程執行的效率也會獲得很大的提升，由於將線程的分時共享單處理器變成了分佈式的多處理器執行。這種多處理器在三維建模和圖形處理是很是有用的。
 
須要多線程嗎
 
咱們發出了一個打印的命令，要求打印機進行打印任務，假設這時候計算機中止了響應而打印機還在工做，那豈不是咱們的中止手上的事情就等着這慢速的打印機打印？所幸的是，這種狀況不會發生，咱們在打印機工做的時候還能夠同時聽音樂或者畫圖。由於咱們使用了獨立的多線程來執行這些任務。你可能會對多個用戶同時訪問數據庫或者web服務器感到吃驚，他們是怎麼工做的？這是由於爲每一個鏈接到數據庫或者web服務器的用戶創建了獨立的線程來維護用戶的狀態。若是一個程序的運行有必定的順序，這時候採用這種方式可能會出現問題，甚至致使整個程序崩潰。若是程序能夠分紅獨立的不一樣的任務，使用多線程，即便某一部分任務失敗了，對其餘的也沒有影響，不會致使整個程序崩潰。
 
毫無疑問的是，編寫多線程程序使得你有了一個利器能夠駕奴非多線程的程序，可是多線程也可能成爲一個負擔或者須要不小的代價。若是使用的不當，會帶來更多的壞處。若是一個程序有不少的線程，那麼其餘程序的線程必然只能佔用更少的ＣＰＵ時間；並且大量的ＣＰＵ時間是用於線程調度的；操做系統也須要足夠的內存空間來維護每一個線程的上下文信息；所以，大量的線程會下降系統的運行效率。所以，若是使用多線程的話，程序的多線程必須設計的很好，不然帶來的好處將遠小於壞處。所以使用多線程咱們必須當心的處理這些線程的建立，調度和釋放工做。
 
多線程程序設計提示
 
有多種方法能夠設計多線程的應用程序。正如後面的文章所示，我將給出詳細的編程示例，經過這些例子，你將能夠更好的理解多線程。線程能夠有不一樣的優先級，舉例子來講，在咱們的應用程序裏面，繪製圖形或者作大量運算的同時要接受用戶的輸入，顯然用戶的輸入須要獲得第一時間的響應，而圖形繪製或者運算則須要大量的時間，暫停一下問題不大，所以用戶輸入線程將須要高的清閒級，而圖形繪製或者運算低優先級便可。這些線程之間相互獨立，相互不影響。
在上面的例子中，圖形繪製或者大量的運算顯然是須要站用不少的ＣＰＵ時間的，在這段時間，用戶沒有必要等着他們執行完畢再輸入信息，所以咱們將程序設計成獨立的兩個線程，一個負責用戶的輸入，一個負責處理那些耗時很長的任務。這將使得程序更加靈活，可以快速響應。同時也可使得用戶在運行的任什麼時候候取消任務的可能。在這個繪製圖形的例子中，程序應該始終負責接收系統發來的消息。若是因爲程序忙於一個任務，有可能會致使屏幕變成空白，這顯然須要咱們的程序來處理這樣的事件。因此我必須得有一個線程負責來處理這些消息，正如剛纔所說的應該觸發重畫屏幕的工做。
咱們應該把握一個原則，對於那些對時間要求比較緊迫須要當即獲得相應的任務，咱們因該給予高的優先級，而其餘的線程優先級應該低於她的優先級。偵聽客戶端請求的線程應該始終是高的優先級，對於一個與用戶交互的用戶界面的任務來講，它須要獲得第一時間的響應，其優先級因該高優先級。
 

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