C#多線程與異步的區(qū)別詳解
C#多線程與異步的區(qū)別詳解
隨著擁有多個硬線程 CPU(超線程、雙核)的普及,多線程和異步操作等并發(fā)程序設(shè)計(jì)方法也受到了更多的關(guān)注和討論。本文主要是想與各位高手一同探討一下如何使用并發(fā)來最大化程序的性能。
多線程和異步操作的異同
多線程和異步操作兩者都可以達(dá)到避免調(diào)用線程阻塞的目的,從而提高軟件的可響應(yīng)性。甚至有些時候我們就認(rèn)為多線程和異步操作是等同的概念。但是,多線程和異步操作還是有一些區(qū)別的。而這些區(qū)別造成了使用多線程和異步操作的時機(jī)的區(qū)別。
異步操作的本質(zhì)
所有的程序最終都會由計(jì)算機(jī)硬件來執(zhí)行,所以為了更好的理解異步操作的本質(zhì),我們有必要了解一下它的硬件基礎(chǔ)。 熟悉電腦硬件的朋友肯定對 DMA 這個詞不陌生,硬盤、光驅(qū)的技術(shù)規(guī)格中都有明確 DMA 的模式指標(biāo),其實(shí)網(wǎng)卡、聲卡、顯卡也是有 DMA 功能的。DMA 就是直接內(nèi)存訪問的意思,也就是說,擁有 DMA 功能的硬件在和內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的時候可以不消耗 CPU 資源。只要 CPU 在發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)送一個指令,硬件就開始自己和內(nèi)存交換數(shù)據(jù),在傳輸完成之后硬件會觸發(fā)一個中斷來通知操作完成。這些無須消耗 CPU 時間的 I/O 操作正是異步操作的硬件基礎(chǔ)。所以即使在 DOS 這樣的單進(jìn)程(而且無線程概念)系統(tǒng)中也同樣可以發(fā)起異步的 DMA 操作。
線程的本質(zhì)
線程不是一個計(jì)算機(jī)硬件的功能,而是操作系統(tǒng)提供的一種邏輯功能,線程本質(zhì)上是進(jìn)程中一段并發(fā)運(yùn)行的代碼,所以線程需要操作系統(tǒng)投入 CPU 資源來運(yùn)行和調(diào)度。
異步操作的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
因?yàn)楫惒讲僮鳠o須額外的線程負(fù)擔(dān),并且使用回調(diào)的方式進(jìn)行處理,在設(shè)計(jì)良好的情況下,處理函數(shù)可以不必使用共享變量(即使無法完全不用,最起碼可以減少共享變量的數(shù)量),減少了死鎖的可能。當(dāng)然異步操作也并非完美無暇。編寫異步操作的復(fù)雜程度較高,程序主要使用回調(diào)方式進(jìn)行處理,與普通人的思維方式有些初入,而且難以調(diào)試。
多線程的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
多線程的優(yōu)點(diǎn)很明顯,線程中的處理程序依然是順序執(zhí)行,符合普通人的思維習(xí)慣,所以編程簡單。但是多線程的缺點(diǎn)也同樣明顯,線程的使用(濫用)會給系統(tǒng)帶來上下文切換的額外負(fù)擔(dān)。并且線程間的共享變量可能造成死鎖的出現(xiàn)。
適用范圍
在了解了線程與異步操作各自的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)之后,我們可以來探討一下線程和異步的合理用途。我認(rèn)為:當(dāng)需要執(zhí)行 I/O 操作時,使用異步操作比使用線程加同步 I/O 操作更合適。I/O 操作不僅包括了直接的文件、網(wǎng)絡(luò)的讀寫,還包括數(shù)據(jù)庫操作、Web Service、HttpRequest 以及 .Net Remoting 等跨進(jìn)程的調(diào)用。
而線程的適用范圍則是那種需要長時間 CPU 運(yùn)算的場合,例如耗時較長的圖形處理和算法執(zhí)行。但是往往由于使用線程編程的簡單和符合習(xí)慣,所以很多朋友往往會使用線程來執(zhí)行耗時較長的 I/O 操作。這樣在只有少數(shù)幾個并發(fā)操作的時候還無傷大雅,如果需要處理大量的并發(fā)操作時就不合適了。
實(shí)例研究
說了那么理論上的東西,可能有些兄弟早就不耐煩了,現(xiàn)在我們來研究幾個實(shí)際的異步操作例子吧。
實(shí)例1:由 delegate 產(chǎn)生的異步方法到底是怎么回事?
大家可能都知道,使用 delegate 可以“自動”使一個方法可以進(jìn)行異步的調(diào)用。從直覺上來說,我覺得是由編譯器或者 CLR 使用了另外的線程來執(zhí)行目標(biāo)方法。到底是不是這樣呢?讓我們來用一段代碼證明一下吧。
using System; using System.Threading; namespace AsyncDelegateDemo { delegate void AsyncFoo(int i); class Program { ///<summary> /// 輸出當(dāng)前線程的信息 ///</summary> ///<param name="name">方法名稱</param> static void PrintCurrThreadInfo(string name) { Console.WriteLine("Thread Id of " + name + " is: " + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + ", current thread is " + (Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread ? "" : "not ") + "thread pool thread."); } ///<summary> /// 測試方法,Sleep一定時間 ///</summary> ///<param name="i">Sleep的時間</param> static void Foo(int i) { PrintCurrThreadInfo("Foo()"); Thread.Sleep(i); } ///<summary> /// 投遞一個異步調(diào)用 ///</summary> static void PostAsync() { AsyncFoo caller = new AsyncFoo(Foo); caller.BeginInvoke(1000, new AsyncCallback(FooCallBack), caller); } static void Main(string[] args) { PrintCurrThreadInfo("Main()"); for(int i = 0; i < 10 ; i++) { PostAsync(); } Console.ReadLine(); } static void FooCallBack(IAsyncResult ar) { PrintCurrThreadInfo("FooCallBack()"); AsyncFoo caller = (AsyncFoo) ar.AsyncState; caller.EndInvoke(ar); } } }
這段代碼代碼的輸出如下:
Thread Id of Main() is: 1, current thread is not thread pool thread. Thread Id of Foo() is: 3, current thread is thread pool thread. Thread Id of FooCallBack() is: 3, current thread is thread pool thread. Thread Id of Foo() is: 3, current thread is thread pool thread. Thread Id of Foo() is: 4, current thread is thread pool thread. Thread Id of Foo() is: 5, current thread is thread pool thread. Thread Id of FooCallBack() is: 3, current thread is thread pool thread. Thread Id of Foo() is: 3, current thread is thread pool thread. Thread Id of FooCallBack() is: 4, current thread is thread pool thread. Thread Id of Foo() is: 4, current thread is thread pool thread. Thread Id of Foo() is: 6, current thread is thread pool thread. Thread Id of FooCallBack() is: 5, current thread is thread pool thread. Thread Id of Foo() is: 5, current thread is thread pool thread. Thread Id of Foo() is: 7, current thread is thread pool thread. Thread Id of FooCallBack() is: 3, current thread is thread pool thread. Thread Id of Foo() is: 3, current thread is thread pool thread. Thread Id of FooCallBack() is: 4, current thread is thread pool thread. Thread Id of FooCallBack() is: 6, current thread is thread pool thread. Thread Id of FooCallBack() is: 5, current thread is thread pool thread. Thread Id of FooCallBack() is: 7, current thread is thread pool thread. Thread Id of FooCallBack() is: 3, current thread is thread pool thread.
從輸出可以看出,.net 使用 delegate 來“自動”生成的異步調(diào)用是使用了另外的線程(而且是線程池線程)。
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