大家應(yīng)該掌握的多線(xiàn)程編程
毫無(wú)疑問(wèn)，多線(xiàn)程在各種編程語(yǔ)言中都占有比較重要的一個(gè)席位。不管你是初學(xué)者，還是資深的老司機(jī)，多線(xiàn)程是在學(xué)習(xí)，面試和工作中都要經(jīng)常被提及的一個(gè)話(huà)題，下面我們就來(lái)看一看具體的相關(guān)內(nèi)容。
1、多線(xiàn)程編程必備知識(shí)
1.1 進(jìn)程與線(xiàn)程的概念
當(dāng)我們打開(kāi)一個(gè)應(yīng)用程序后，操作系統(tǒng)就會(huì)為該應(yīng)用程序分配一個(gè)進(jìn)程ID，例如打開(kāi)QQ，你將在任務(wù)管理器的進(jìn)程選項(xiàng)卡看到QQ.exe進(jìn)程，如下圖：
進(jìn)程可以理解為一塊包含了某些資源的內(nèi)存區(qū)域，操作系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)程這一方式把它的工作劃分為不同的單元。一個(gè)應(yīng)用程序可以對(duì)應(yīng)于多個(gè)進(jìn)程。
線(xiàn)程是進(jìn)程中的獨(dú)立執(zhí)行單元，對(duì)于操作系統(tǒng)而言，它通過(guò)調(diào)度線(xiàn)程來(lái)使應(yīng)用程序工作，一個(gè)進(jìn)程中至少包含一個(gè)線(xiàn)程，我們把該線(xiàn)程成為主線(xiàn)程。線(xiàn)程與進(jìn)程之間的關(guān)系可以理解為：線(xiàn)程是進(jìn)程的執(zhí)行單元，操作系統(tǒng)通過(guò)調(diào)度線(xiàn)程來(lái)使應(yīng)用程序工作；而進(jìn)程則是線(xiàn)程的容器，它由操作系統(tǒng)創(chuàng)建，又在具體的執(zhí)行過(guò)程中創(chuàng)建了線(xiàn)程。
1.2線(xiàn)程的調(diào)度
在操作系統(tǒng)的書(shū)中貌似有提過(guò)，“Windows是搶占式多線(xiàn)程操作系統(tǒng)”。之所以這么說(shuō)它是搶占式的，是因?yàn)榫€(xiàn)程可以在任意時(shí)間里被搶占，來(lái)調(diào)度另一個(gè)線(xiàn)程。操作系統(tǒng)為每個(gè)線(xiàn)程分配了0-31中的某一級(jí)優(yōu)先級(jí)，而且會(huì)把優(yōu)先級(jí)高的線(xiàn)程優(yōu)先分配給CPU執(zhí)行。
Windows支持7個(gè)相對(duì)線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)：Idle、Lowest、BelowNormal、Normal、AboveNormal、Highest和Time-Critical。其中，Normal是默認(rèn)的線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)。程序可以通過(guò)設(shè)置Thread的Priority屬性來(lái)改變線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)，該屬性的類(lèi)型為T(mén)hreadPriority枚舉類(lèi)型，其成員包括Lowest、BelowNormal、Normal、AboveNormal和Highest。CLR為自己保留了Idle和Time-Critical兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。
1.3線(xiàn)程也分前后臺(tái)
線(xiàn)程有前臺(tái)線(xiàn)程和后臺(tái)線(xiàn)程之分。在一個(gè)進(jìn)程中，當(dāng)所有前臺(tái)線(xiàn)程停止運(yùn)行后，CLR會(huì)強(qiáng)制結(jié)束所有仍在運(yùn)行的后臺(tái)線(xiàn)程，這些后臺(tái)線(xiàn)程被直接終止，卻不會(huì)拋出任何異常。主線(xiàn)程將一直是前臺(tái)線(xiàn)程。我們可以使用Tread類(lèi)來(lái)創(chuàng)建前臺(tái)線(xiàn)程。
using System;
using System.Threading;
namespace 多線(xiàn)程1
{
internal class Program
{
private static void Main(string[] args)
{
var backThread = new Thread(Worker);
backThread.IsBackground = true;
backThread.Start();
Console.WriteLine("從主線(xiàn)程退出");
Console.ReadKey();
}
private static void Worker()
{
Thread.Sleep(1000);
Console.WriteLine("從后臺(tái)線(xiàn)程退出");
}
}
}
以上代碼先通過(guò)Thread類(lèi)創(chuàng)建了一個(gè)線(xiàn)程對(duì)象，然后通過(guò)設(shè)置IsBackground屬性來(lái)指明該線(xiàn)程為后臺(tái)線(xiàn)程。如果不設(shè)置這個(gè)屬性，則默認(rèn)為前臺(tái)線(xiàn)程。接著調(diào)用了Start的方法，此時(shí)后臺(tái)線(xiàn)程會(huì)執(zhí)行Worker函數(shù)的代碼。所以在這個(gè)程序中有兩個(gè)線(xiàn)程，一個(gè)是運(yùn)行Main函數(shù)的主線(xiàn)程，一個(gè)是運(yùn)行Worker線(xiàn)程的后臺(tái)線(xiàn)程。由于前臺(tái)線(xiàn)程執(zhí)行完畢后CLR會(huì)無(wú)條件地終止后臺(tái)線(xiàn)程的運(yùn)行，所以在前面的代碼中，若啟動(dòng)了后臺(tái)線(xiàn)程，則主線(xiàn)程將會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。主線(xiàn)程執(zhí)行完后，CLR發(fā)現(xiàn)主線(xiàn)程結(jié)束，會(huì)終止后臺(tái)線(xiàn)程，然后使整個(gè)應(yīng)用程序結(jié)束運(yùn)行，所以Worker函數(shù)中的Console語(yǔ)句將不會(huì)執(zhí)行。所以上面代碼的結(jié)果是不會(huì)運(yùn)行Worker函數(shù)中的Console語(yǔ)句的。
可以使用Join函數(shù)的方法，確保主線(xiàn)程會(huì)在后臺(tái)線(xiàn)程執(zhí)行結(jié)束后才開(kāi)始運(yùn)行。
using System;
using System.Threading;
namespace 多線(xiàn)程1
{
internal class Program
{
private static void Main(string[] args)
{
var backThread = new Thread(Worker);
backThread.IsBackground = true;
backThread.Start();
backThread.Join();
Console.WriteLine("從主線(xiàn)程退出");
Console.ReadKey();
}
private static void Worker()
{
Thread.Sleep(1000);
Console.WriteLine("從后臺(tái)線(xiàn)程退出");
}
}
}
以上代碼調(diào)用Join函數(shù)來(lái)確保主線(xiàn)程會(huì)在后臺(tái)線(xiàn)程結(jié)束后再運(yùn)行。
如果你線(xiàn)程執(zhí)行的方法需要參數(shù)，則就需要使用new Thread的重載構(gòu)造函數(shù)Thread(ParameterizedThreadStart).
using System;
using System.Threading;
namespace 多線(xiàn)程1
{
internal class Program
{
private static void Main(string[] args)
{
var backThread = new Thread(new ParameterizedThreadStart(Worker));
backThread.IsBackground = true;
backThread.Start("Helius");
backThread.Join();
Console.WriteLine("從主線(xiàn)程退出");
Console.ReadKey();
}
private static void Worker(object data)
{
Thread.Sleep(1000);
Console.WriteLine($"傳入的參數(shù)為{data.ToString()}");
}
}
}
執(zhí)行結(jié)果為：
2、線(xiàn)程的容器——線(xiàn)程池
前面我們都是通過(guò)Thead類(lèi)來(lái)手動(dòng)創(chuàng)建線(xiàn)程的，然而線(xiàn)程的創(chuàng)建和銷(xiāo)毀會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，這樣的手動(dòng)操作將造成性能損失。因此，為了避免因通過(guò)Thread手動(dòng)創(chuàng)建線(xiàn)程而造成的損失，.NET引入了線(xiàn)程池機(jī)制。
2.1 線(xiàn)程池
線(xiàn)程池是指用來(lái)存放應(yīng)用程序中要使用的線(xiàn)程集合，可以將它理解為一個(gè)存放線(xiàn)程的地方，這種集中存放的方式有利于對(duì)線(xiàn)程進(jìn)行管理。
CLR初始化時(shí)，線(xiàn)程池中是沒(méi)有線(xiàn)程的。在內(nèi)部，線(xiàn)程池維護(hù)了一個(gè)操作請(qǐng)求隊(duì)列，當(dāng)應(yīng)用程序想要執(zhí)行一個(gè)異步操作時(shí)，需要調(diào)用QueueUserWorkItem方法來(lái)將對(duì)應(yīng)的任務(wù)添加到線(xiàn)程池的請(qǐng)求隊(duì)列中。線(xiàn)程池實(shí)現(xiàn)的代碼會(huì)從隊(duì)列中提取，并將其委派給線(xiàn)程池中的線(xiàn)程去執(zhí)行。如果線(xiàn)程池沒(méi)有空閑的線(xiàn)程，則線(xiàn)程池也會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新線(xiàn)程去執(zhí)行提取的任務(wù)。而當(dāng)線(xiàn)程池線(xiàn)程完成某個(gè)任務(wù)時(shí)，線(xiàn)程不會(huì)被銷(xiāo)毀，而是返回到線(xiàn)程池中，等待響應(yīng)另一個(gè)請(qǐng)求。由于線(xiàn)程不會(huì)被銷(xiāo)毀，所以也就避免了性能損失。記住，線(xiàn)程池里的線(xiàn)程都是后臺(tái)線(xiàn)程，默認(rèn)級(jí)別是Normal。
2.2 通過(guò)線(xiàn)程池來(lái)實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程
要使用線(xiàn)程池的線(xiàn)程，需要調(diào)用靜態(tài)方法ThreadPool.QueueUserWorkItem，以指定線(xiàn)程要調(diào)用的方法，該靜態(tài)方法有兩個(gè)重載版本：
public static bool QueueUserWorkItem(WaitCallback callBack);
public static bool QueueUserWorkItem(WaitCallback callback,Object state)
這兩個(gè)方法用于向線(xiàn)程池隊(duì)列添加一個(gè)工作先以及一個(gè)可選的狀態(tài)數(shù)據(jù)。然后，這兩個(gè)方法就會(huì)立即返回。下面通過(guò)實(shí)例來(lái)演示如何使用線(xiàn)程池來(lái)實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程編程。
using System;
using System.Threading;
namespace 多線(xiàn)程2
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine($"主線(xiàn)程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
ThreadPool.QueueUserWorkItem(CallBackWorkItem);
ThreadPool.QueueUserWorkItem(CallBackWorkItem,"work");
Thread.Sleep(3000);
Console.WriteLine("主線(xiàn)程退出");
Console.ReadKey();
}
private static void CallBackWorkItem(object state)
{
Console.WriteLine("線(xiàn)程池線(xiàn)程開(kāi)始執(zhí)行");
if (state != null)
{
Console.WriteLine($"線(xiàn)程池線(xiàn)程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},傳入的參數(shù)為{state.ToString()}");
}
else
{
Console.WriteLine($"線(xiàn)程池線(xiàn)程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
}
}
}
}
結(jié)果為：
2.3 協(xié)作式取消線(xiàn)程池線(xiàn)程
.NET Framework提供了取消操作的模式，這個(gè)模式是協(xié)作式的。為了取消一個(gè)操作，必須創(chuàng)建一個(gè)System.Threading.CancellationTokenSource對(duì)象。下面還是使用代碼來(lái)演示一下：
using System;
using System.Threading;
namespace 多線(xiàn)程3
{
internal class Program
{
private static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("主線(xiàn)程運(yùn)行");
var cts = new CancellationTokenSource();
ThreadPool.QueueUserWorkItem(Callback, cts.Token);
Console.WriteLine("按下回車(chē)鍵來(lái)取消操作");
Console.Read();
cts.Cancel();
Console.ReadKey();
}
private static void Callback(object state)
{
var token = (CancellationToken) state;
Console.WriteLine("開(kāi)始計(jì)數(shù)");
Count(token, 1000);
}
private static void Count(CancellationToken token, int count)
{
for (var i = 0; i < count; i++)
{
if (token.IsCancellationRequested)
{
Console.WriteLine("計(jì)數(shù)取消");
return;
}
Console.WriteLine($"計(jì)數(shù)為：{i}");
Thread.Sleep(300);
}
Console.WriteLine("計(jì)數(shù)完成");
}
}
}
結(jié)果為：
3、線(xiàn)程同步
線(xiàn)程同步計(jì)數(shù)是指多線(xiàn)程程序中，為了保證后者線(xiàn)程，只有等待前者線(xiàn)程完成之后才能繼續(xù)執(zhí)行。這就好比生活中排隊(duì)買(mǎi)票，在前面的人沒(méi)買(mǎi)到票之前，后面的人必須等待。
3.1 多線(xiàn)程程序中存在的隱患
多線(xiàn)程可能同時(shí)去訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)共享資源，這將損壞資源中所保存的數(shù)據(jù)。這種情況下，只能采用線(xiàn)程同步技術(shù)。
3.2 使用監(jiān)視器對(duì)象實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程同步
監(jiān)視器對(duì)象（Monitor）能夠確保線(xiàn)程擁有對(duì)共享資源的互斥訪(fǎng)問(wèn)權(quán)，C#通過(guò)lock關(guān)鍵字來(lái)提供簡(jiǎn)化的語(yǔ)法。
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
namespace 線(xiàn)程同步
{
class Program
{
private static int tickets = 100;
static object globalObj=new object();
static void Main(string[] args)
{
Thread thread1=new Thread(SaleTicketThread1);
Thread thread2=new Thread(SaleTicketThread2);
thread1.Start();
thread2.Start();
Console.ReadKey();
}
private static void SaleTicketThread2()
{
while (true)
{
try
{
Monitor.Enter(globalObj);
Thread.Sleep(1);
if (tickets > 0)
{
Console.WriteLine($"線(xiàn)程2出票：{tickets--}");
}
else
{
break;
}
}
catch (Exception)
{
throw;
}
finally
{
Monitor.Exit(globalObj);
}
}
}
private static void SaleTicketThread1()
{
while (true)
{
try
{
Monitor.Enter(globalObj);
Thread.Sleep(1);
if (tickets > 0)
{
Console.WriteLine($"線(xiàn)程1出票：{tickets--}");
}
else
{
break;
}
}
catch (Exception)
{
throw;
}
finally
{
Monitor.Exit(globalObj);
}
}
}
}
}
在以上代碼中，首先額外定義了一個(gè)靜態(tài)全局變量globalObj，并將其作為參數(shù)傳遞給Enter方法。使用了Monitor鎖定的對(duì)象需要為引用類(lèi)型，而不能為值類(lèi)型。因?yàn)樵趯⒅殿?lèi)型傳遞給Enter時(shí)，它將被先裝箱為一個(gè)單獨(dú)的毒香，之后再傳遞給Enter方法；而在將變量傳遞給Exit方法時(shí)，也會(huì)創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的引用對(duì)象。此時(shí)，傳遞給Enter方法的對(duì)象和傳遞給Exit方法的對(duì)象不同，Monitor將會(huì)引發(fā)SynchronizationLockException異常。
3.3線(xiàn)程同步技術(shù)存在的問(wèn)題
（1）使用比較繁瑣。要用額外的代碼把多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)包圍起來(lái)，還并不能遺漏。
（2）使用線(xiàn)程同步會(huì)影響程序性能。因?yàn)楂@取和釋放同步鎖是需要時(shí)間的；并且決定那個(gè)線(xiàn)程先獲得鎖的時(shí)候，CPU也要進(jìn)行協(xié)調(diào)。這些額外的工作都會(huì)對(duì)性能造成影響。
（3）線(xiàn)程同步每次只允許一個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)資源，這會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)程堵塞。繼而系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建更多的線(xiàn)程，CPU也就要負(fù)擔(dān)更繁重的調(diào)度工作。這個(gè)過(guò)程會(huì)對(duì)性能造成影響。
下面就由代碼來(lái)解釋一下性能的差距：
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
namespace 線(xiàn)程同步2
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
int x = 0;
const int iterationNumber = 5000000;
Stopwatch stopwatch=Stopwatch.StartNew();
for (int i = 0; i < iterationNumber; i++)
{
x++;
}
Console.WriteLine($"不使用鎖的情況下花費(fèi)的時(shí)間:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}ms");
stopwatch.Restart();
for (int i = 0; i < iterationNumber; i++)
{
Interlocked.Increment(ref x);
}
Console.WriteLine($"使用鎖的情況下花費(fèi)的時(shí)間:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}ms");
Console.ReadKey();
}
}
}
執(zhí)行結(jié)果：
總結(jié)
以上就是本文關(guān)于大家應(yīng)該掌握的多線(xiàn)程編程的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續(xù)參閱本站其他相關(guān)專(zhuān)題，如有不足之處，歡迎留言指出。感謝朋友們對(duì)本站的支持！
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