C#線程

C#的線程（一）

初識線程

線程是一個獨立的運行單元，每一個進程內部都有多個線程，每一個線程均可以各自同時執行指令。每一個線程都有本身獨立的棧，可是與進程內的其餘線程共享內存。可是對於.NET的客戶端程序（Console，WPF，WinForms）是由CLR建立的單線程（主線程，且只建立一個線程）來啓動。在該線程上能夠建立其餘線程。

圖：

線程工做方式

多線程由內部線程調度程序管理，線程調度器一般是CLR委派給操做系統的函數。線程調度程序確保全部活動線程都被分配到合適的執行時間，線程在等待或阻止時 （例如，在一個獨佔鎖或用戶輸入） 不會消耗 CPU 時間。
在單處理器計算機上，線程調度程序是執行時間切片 — 迅速切換每一個活動線程。在 Windows 中, 一個時間片是一般數十毫秒爲單位的區域 — — 相比來講 線程間相互切換比CPU更消耗資源。在多處理器計算機上，多線程用一種混合的時間切片和真正的併發性來實現，不一樣的線程會在不一樣的cpu運行代碼。

建立線程

如：

using System;
using System.Threading;

class ThreadTest
{
  static void Main()
  {
    Thread t = new Thread (Write2);          // 建立線程t
    t.Start();                               // 執行 Write2()
 
    // 同時執行主線程上的該方法
    for (int i = 0; i < 1000; i++) Console.Write ("1");
  }
 
  static void Write2()
  {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) Console.Write ("2");
  }
}

//輸出：
//111122221122221212122221212......

在主線程上建立了一個新的線程，該新線程執行WrWrite2方法，在調用t.Start()時，主線程並行，輸出「1」。

圖：

線程Start()以後，線程的IsAlive屬性就爲true，直到該線程結束（當線程傳入的方法結束時，該線程就結束）。

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CLR使每一個線程都有本身獨立的內存棧，因此每一個線程的本地變量都相互獨立。

如：

static void Main() 
{
  new Thread (Go).Start();      // 建立一個新線程，並調用Go方法
  Go();                         // 在主線程上調用Go方法
}
 
static void Go()
{
  // 聲明一個本地局部變量 cycles
  for (int cycles = 0; cycles < 5; cycles++) Console.Write ('N');
}
//輸出：
//NNNNNNNNNN (共輸出10個N)

在新線程和主線程上調用Go方法時分別建立了變量cycles，這時cycles在不一樣的線程棧上，因此相互獨立不受影響。

圖：

若是不一樣線程指向同一個實例的引用，那麼不一樣的線程共享該實例。

如：

class ThreadTest
{
  //全局變量
  int i;
 
  static void Main()
  {
    ThreadTest tt = new ThreadTest();   // 建立一個ThreadTest類的實例
    new Thread (tt.Go).Start();
    tt.Go();
  }
 
  // Go方法屬於ThreadTest的實例
  void Go() 
  {
     if (i==1) { ++i; Console.WriteLine (i); }
  }
}
//輸出：
//2

新線程和主線程上調用了同一個實例的Go方法，因此變量i共享。

靜態變量也能夠被多線程共享

class ThreadTest 
{
  static int i;    // 靜態變量能夠被線程共享
 
  static void Main()
  {
    new Thread (Go).Start();
    Go();
  }
 
  static void Go()
  {
    if (i==1) { ++i; Console.WriteLine (i); }
  }
}

//輸出：
//2

若是將Go方法的代碼位置互換

 static void Go()
  {
    if (i==1) {  Console.WriteLine (i);++i;}
  }

//輸出：
//1
//1（有時輸出一個，有時輸出兩個）

若是新線程在Write以後，done=true以前，主線程也執行到了write那麼就會有兩個done。

不一樣線程在讀寫共享字段時會出現不可控的輸出，這就是多線程的線程安全問題。

解決方法： 使用排它鎖來解決這個問題--lock

class ThreadSafe 
{
  static bool done;
  static readonly object locker = new object();
 
  static void Main()
  {
    new Thread (Go).Start();
    Go();
  }
 
  static void Go()
  {
    //使用lock，確保一次只有一個線程執行該代碼
    lock (locker)
    {
      if (!done) { Console.WriteLine ("Done"); done = true; }
    }
  }
}

當多個線程都在爭取這個排它鎖時，一個線程獲取該鎖，其餘線程會處於blocked狀態（該狀態時不消耗cpu），等待另外一個線程釋放鎖時，捕獲該鎖。這就保證了一次
只有一個線程執行該代碼。

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Join和Sleep

Join能夠實現暫停另外一個線程，直到調用Join方法的線程結束。

static void Main()
{
  Thread t = new Thread (Go);
  t.Start();
  t.Join();
  Console.WriteLine ("Thread t has ended!");
}
 
static void Go()
{
  for (int i = 0; i < 1000; i++) Console.Write ("y");
}

//輸出：
//yyyyyy..... Thread t has ended!

線程t調用Join方法，阻塞主線程，直到t線程執行結束，再執行主線程。

Sleep:暫停該線程一段時間

Thread.Sleep (TimeSpan.FromHours (1));  // 暫停一個小時
Thread.Sleep (500);                     // 暫停500毫秒

Join是暫停別的線程，Sleep是暫停本身線程。

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上面的例子是使用Thread類的構造函數，給構造函數傳入一個ThreadStart委託。來實現的。

public delegate void ThreadStart();

而後調用Start方法，來執行該線程。委託執行完該線程也結束。

如：

class ThreadTest
{
  static void Main() 
  {
    Thread t = new Thread (new ThreadStart (Go));
 
    t.Start();   // 執行Go方法
    Go();        // 同時在主線程上執行Go方法
  }
 
  static void Go()
  {
    Console.WriteLine ("hello!");
  }
}

多數狀況下，能夠不用new ThreadStart委託。直接在構造函數裏傳入void類型的方法。

Thread t = new Thread (Go); 

使用lambda表達式

static void Main()
{
  Thread t = new Thread ( () => Console.WriteLine ("Hello!") );
  t.Start();
}

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Foreground線程和Background線程

默認狀況下建立的線程都是Foreground，只要有一個Foregournd線程在執行，應用程序就不會關閉。
Background線程則不是。一旦Foreground線程執行完，應用程序結束，background就會強制結束。
能夠用IsBackground來查看該線程是什麼類型的線程。

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線程異常捕獲

public static void Main()
{
  try
  {
    new Thread (Go).Start();
  }
  catch (Exception ex)
  {
    // 不能捕獲異常
    Console.WriteLine ("Exception!");
  }
}
 
static void Go() { throw null; }   //拋出 Null異常

此時並不能在Main方法裏捕獲線程Go方法的異常，若是是Thread自身的異常能夠捕獲。

正確捕獲方式：

public static void Main()
{
   new Thread (Go).Start();
}
 
static void Go()
{
  try
  {
    // ...
    throw null;    // 這個異常會被下面捕獲
    // ...
  }
  catch (Exception ex)
  {
     // ...
  }
}

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線程池

當建立一個線程時，就會消耗幾百毫秒cpu，建立一些新的私有局部變量棧。每一個線程還消耗（默認）約1 MB的內存。線程池經過共享和回收線程，容許在不影響性能的狀況下啓用多線程。
每一個.NET程序都有一個線程池，線程池維護着必定數量的工做線程，這些線程等待着執行分配下來的任務。

線程池線程注意點：

1 線程池的線程不能設置名字（致使線程調試困難）。
2 線程池的線程都是background線程
3 阻塞一個線程池的線程，會致使延遲。
4 能夠隨意設置線程池的優先級，在回到線程池時改線程就會被重置。

經過Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread.能夠查看該線程是不是線程池的線程。

使用線程池建立線程的方法：

• Task
• ThreadPool.QueueUserWorkItem
• Asynchronous delegates
• BackgroundWorker

TPL

Framework4.0下可使用Task來建立線程池線程。調用Task.Factory.StartNew(),傳遞一個委託

• Task.Factory.StartNew

static void Main() 
{
  Task.Factory.StartNew (Go);
}
 
static void Go()
{
  Console.WriteLine ("Hello from the thread pool!");
}

Task.Factory.StartNew 返回一個Task對象。能夠調用該Task對象的Wait來等待該線程結束,調用Wait時會阻塞調用者的線程。

• Task構造函數
  給Task構造函數傳遞Action委託，或對應的方法，調用start方法，啓動任務

static void Main() 
{
  Task t=new Task(Go);
  t.Start();
}
 
static void Go()
{
  Console.WriteLine ("Hello from the thread pool!");
}

• Task.Run

直接調用Task.Run傳入方法，執行。

static void Main() 
{
  Task.Run(() => Go());
}
 
static void Go()
{
  Console.WriteLine ("Hello from the thread pool!");
}

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QueueUserWorkItem

QueueUserWorkItem沒有返回值。使用 QueueUserWorkItem,只需傳遞相應委託的方法就行。

static void Main()
{
  //Go方法的參數data此時爲空
  ThreadPool.QueueUserWorkItem (Go);
  //Go方法的參數data此時爲123
  ThreadPool.QueueUserWorkItem (Go, 123);
  Console.ReadLine();
}
 
static void Go (object data) 
{
  Console.WriteLine ("Hello from the thread pool! " + data);
}

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委託異步

委託異步能夠返回任意類型個數的值。
使用委託異步的方式：

1. 聲明一個和方法匹配的委託
2. 調用該委託的BeginInvoke方法，獲取返回類型爲IAsyncResult的值
3. 調用EndInvoke方法傳遞IAsyncResulte類型的值獲取最終結果

如：

static void Main()
{
  Func<string, int> method = Work;
  IAsyncResult cookie = method.BeginInvoke ("test", null, null);
  //
  // ... 此時能夠同步處理其餘事情
  //
  int result = method.EndInvoke (cookie);
  Console.WriteLine ("String length is: " + result);
}
 
static int Work (string s) { return s.Length; }

使用回調函數來簡化委託的異步調用,回調函數參數爲IAsyncResult類型

static void Main()
{
  Func<string, int> method = Work;
  method.BeginInvoke ("test", Done, method);
  // ...
  //並行其餘事情
}
 
static int Work (string s) { return s.Length; }
 
static void Done (IAsyncResult cookie)
{
  var target = (Func<string, int>) cookie.AsyncState;
  int result = target.EndInvoke (cookie);
  Console.WriteLine ("String length is: " + result);
}

使用匿名方法

Func<string, int> f = s => { return s.Length; };
  f.BeginInvoke("hello", arg =>
  {
      var target = (Func<string, int>)arg.AsyncState;
      int result = target.EndInvoke(arg);
      Console.WriteLine("String length is: " + result);
  }, f);

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線程傳參和線程返回值

Thread

Thread構造函數傳遞方法有兩種方式：

public delegate void ThreadStart();
public delegate void ParameterizedThreadStart (object obj);

因此Thread能夠傳遞零個或一個參數，可是沒有返回值。

• 使用lambda表達式直接傳入參數。

static void Main()
{
  Thread t = new Thread ( () => Print ("Hello from t!") );
  t.Start();
}
 
static void Print (string message) 
{
  Console.WriteLine (message);
}

• 調用Start方法時傳入參數

static void Main()
{
  Thread t = new Thread (Print);
  t.Start ("Hello from t!");
}
 
static void Print (object messageObj)
{
  string message = (string) messageObj;   
  Console.WriteLine (message);
}

Lambda簡潔高效，可是在捕獲變量的時候要注意，捕獲的變量是否共享。
如：

for (int i = 0; i < 10; i++)
  new Thread (() => Console.Write (i)).Start();

//輸出：
//0223447899

由於每次循環中的i都是同一個i，是共享變量，在輸出的過程當中，i的值會發生變化。

解決方法-局部域變量

for (int i = 0; i < 10; i++)
{
  int temp = i;
  new Thread (() => Console.Write (temp)).Start();
}

這時每一個線程都指向新的域變量temp（此時每一個線程都有屬於本身的花括號的域變量）在該線程中temp不受其餘線程影響。

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委託

委託能夠有任意個傳入和輸出參數。以Action，Func來舉例。

• Action 有零個或多個傳入參數，可是沒有返回值。
• Func 有零個或多個傳入參數，和一個返回值。

Func<string, int> method = Work;
  IAsyncResult cookie = method.BeginInvoke("test", null, null);
  //
  // ... 此時能夠同步處理其餘事情
  //
  int result = method.EndInvoke(cookie);
  Console.WriteLine("String length is: " + result);        

  int Work(string s) { return s.Length; }

使用回調函數獲取返回值

static void Main()
{
  Func<string, int> method = Work;
  method.BeginInvoke ("test", Done, null);
  // ...
  //並行其餘事情
}
 
static int Work (string s) { return s.Length; }
 
static void Done (IAsyncResult cookie)
{
  var target = (Func<string, int>) cookie.AsyncState;
  int result = target.EndInvoke (cookie);
  Console.WriteLine ("String length is: " + result);
}

EndInvoke作了三件事情：

1. 等待委託異步的結束。
2. 獲取返回值。
3. 拋出未處理異常給調用線程。

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Task

Task 泛型容許有返回值。

如：

static void Main()
{
  // 建立Task並執行
  Task<string> task = Task.Factory.StartNew<string>
    ( () => DownloadString ("http://www.baidu.com") ); 
  // 同時執行其餘方法
  Console.WriteLine("begin");
  //等待獲取返回值，而且不會阻塞主線程
  Console.WriteLine(task.Result);
  Console.WriteLine("end");
} 
static string DownloadString (string uri)
{
  using (var wc = new System.Net.WebClient())
    return wc.DownloadString (uri);
}

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參考：

• http://www.albahari.com/threading/
• 《C#併發編程經典實例》