快捷導(dǎo)航

大家應(yīng)該掌握的多線程編程

更新時(shí)間：2018年01月06日 14:46:16 作者：Helius-黑牛

這篇文章主要介紹了大家應(yīng)該掌握的多線程編程，具有一定借鑒價(jià)值,需要的朋友可以參考下

毫無疑問，多線程在各種編程語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)話題，下面我們就來看一看具體的相關(guān)內(nèi)容。

1、多線程編程必備知識(shí)

1.1 進(jìn)程與線程的概念

當(dāng)我們打開一個(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，它通過調(diào)度線程來使應(yīng)用程序工作，一個(gè)進(jìn)程中至少包含一個(gè)線程，我們把該線程成為主線程。線程與進(jìn)程之間的關(guān)系可以理解為：線程是進(jìn)程的執(zhí)行單元，操作系統(tǒng)通過調(diào)度線程來使應(yīng)用程序工作；而進(jìn)程則是線程的容器，它由操作系統(tǒng)創(chuàng)建，又在具體的執(zhí)行過程中創(chuàng)建了線程。

1.2線程的調(diào)度

在操作系統(tǒng)的書中貌似有提過，“Windows是搶占式多線程操作系統(tǒng)”。之所以這么說它是搶占式的，是因?yàn)榫€程可以在任意時(shí)間里被搶占，來調(diào)度另一個(gè)線程。操作系統(tǒng)為每個(gè)線程分配了0-31中的某一級(jí)優(yōu)先級(jí)，而且會(huì)把優(yōu)先級(jí)高的線程優(yōu)先分配給CPU執(zhí)行。

Windows支持7個(gè)相對(duì)線程優(yōu)先級(jí)：Idle、Lowest、BelowNormal、Normal、AboveNormal、Highest和Time-Critical。其中，Normal是默認(rèn)的線程優(yōu)先級(jí)。程序可以通過設(shè)置Thread的Priority屬性來改變線程的優(yōu)先級(jí)，該屬性的類型為ThreadPriority枚舉類型，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線程也分前后臺(tái)

線程有前臺(tái)線程和后臺(tái)線程之分。在一個(gè)進(jìn)程中，當(dāng)所有前臺(tái)線程停止運(yùn)行后，CLR會(huì)強(qiáng)制結(jié)束所有仍在運(yùn)行的后臺(tái)線程，這些后臺(tái)線程被直接終止，卻不會(huì)拋出任何異常。主線程將一直是前臺(tái)線程。我們可以使用Tread類來創(chuàng)建前臺(tái)線程。

using System;
using System.Threading;

namespace 多線程1
{
  internal class Program
  {
    private static void Main(string[] args)
    {
      var backThread = new Thread(Worker);
      backThread.IsBackground = true;
      backThread.Start();
      Console.WriteLine("從主線程退出");
      Console.ReadKey();
    }

    private static void Worker()
    {
      Thread.Sleep(1000);
      Console.WriteLine("從后臺(tái)線程退出");
    }
  }
}

以上代碼先通過Thread類創(chuàng)建了一個(gè)線程對(duì)象，然后通過設(shè)置IsBackground屬性來指明該線程為后臺(tái)線程。如果不設(shè)置這個(gè)屬性，則默認(rèn)為前臺(tái)線程。接著調(diào)用了Start的方法，此時(shí)后臺(tái)線程會(huì)執(zhí)行Worker函數(shù)的代碼。所以在這個(gè)程序中有兩個(gè)線程，一個(gè)是運(yùn)行Main函數(shù)的主線程，一個(gè)是運(yùn)行Worker線程的后臺(tái)線程。由于前臺(tái)線程執(zhí)行完畢后CLR會(huì)無條件地終止后臺(tái)線程的運(yùn)行，所以在前面的代碼中，若啟動(dòng)了后臺(tái)線程，則主線程將會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。主線程執(zhí)行完后，CLR發(fā)現(xiàn)主線程結(jié)束，會(huì)終止后臺(tái)線程，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語句的。

可以使用Join函數(shù)的方法，確保主線程會(huì)在后臺(tái)線程執(zhí)行結(jié)束后才開始運(yùn)行。

using System;
using System.Threading;

namespace 多線程1
{
  internal class Program
  {
    private static void Main(string[] args)
    {
      var backThread = new Thread(Worker);
      backThread.IsBackground = true;
      backThread.Start();
      backThread.Join();
      Console.WriteLine("從主線程退出");
      Console.ReadKey();
    }

    private static void Worker()
    {
      Thread.Sleep(1000);
      Console.WriteLine("從后臺(tái)線程退出");
    }
  }
}

以上代碼調(diào)用Join函數(shù)來確保主線程會(huì)在后臺(tái)線程結(jié)束后再運(yùn)行。

如果你線程執(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、線程的容器——線程池

前面我們都是通過Thead類來手動(dòng)創(chuàng)建線程的，然而線程的創(chuàng)建和銷毀會(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Thread手動(dòng)創(chuàng)建線程而造成的損失，.NET引入了線程池機(jī)制。

2.1 線程池

線程池是指用來存放應(yīng)用程序中要使用的線程集合，可以將它理解為一個(gè)存放線程的地方，這種集中存放的方式有利于對(duì)線程進(jìn)行管理。

CLR初始化時(shí)，線程池中是沒有線程的。在內(nèi)部，線程池維護(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方法來將對(duì)應(yīng)的任務(wù)添加到線程池的請(qǐng)求隊(duì)列中。線程池實(shí)現(xiàn)的代碼會(huì)從隊(duì)列中提取，并將其委派給線程池中的線程去執(zhí)行。如果線程池沒有空閑的線程，則線程池也會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新線程去執(zhí)行提取的任務(wù)。而當(dāng)線程池線程完成某個(gè)任務(wù)時(shí)，線程不會(huì)被銷毀，而是返回到線程池中，等待響應(yīng)另一個(gè)請(qǐng)求。由于線程不會(huì)被銷毀，所以也就避免了性能損失。記住，線程池里的線程都是后臺(tái)線程，默認(rèn)級(jí)別是Normal。

2.2 通過線程池來實(shí)現(xiàn)多線程

要使用線程池的線程，需要調(diào)用靜態(tài)方法ThreadPool.QueueUserWorkItem，以指定線程要調(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。下面通過實(shí)例來演示如何使用線程池來實(shí)現(xiàn)多線程編程。

using System;
using System.Threading;

namespace 多線程2
{
  class Program
  {
    static void Main(string[] args)
    {
      Console.WriteLine($"主線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
      ThreadPool.QueueUserWorkItem(CallBackWorkItem);
      ThreadPool.QueueUserWorkItem(CallBackWorkItem,"work");
      Thread.Sleep(3000);
      Console.WriteLine("主線程退出");
      Console.ReadKey();
    }

    private static void CallBackWorkItem(object state)
    {
      Console.WriteLine("線程池線程開始執(zhí)行");
      if (state != null)
      {
        Console.WriteLine($"線程池線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},傳入的參數(shù)為{state.ToString()}");
      }
      else
      {
        Console.WriteLine($"線程池線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
      }
    }
  }
}

結(jié)果為：

2.3 協(xié)作式取消線程池線程

.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演示一下：

using System;
using System.Threading;

namespace 多線程3
{
  internal class Program
  {
    private static void Main(string[] args)
    {
      Console.WriteLine("主線程運(yùn)行");
      var cts = new CancellationTokenSource();
      ThreadPool.QueueUserWorkItem(Callback, cts.Token);
      Console.WriteLine("按下回車鍵來取消操作");
      Console.Read();
      cts.Cancel();
      Console.ReadKey();
    }

    private static void Callback(object state)
    {
      var token = (CancellationToken) state;
      Console.WriteLine("開始計(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、線程同步

線程同步計(jì)數(shù)是指多線程程序中，為了保證后者線程，只有等待前者線程完成之后才能繼續(xù)執(zhí)行。這就好比生活中排隊(duì)買票，在前面的人沒買到票之前，后面的人必須等待。

3.1 多線程程序中存在的隱患

多線程可能同時(shí)去訪問一個(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，只能采用線程同步技術(shù)。

3.2 使用監(jiān)視器對(duì)象實(shí)現(xiàn)線程同步

監(jiān)視器對(duì)象（Monitor）能夠確保線程擁有對(duì)共享資源的互斥訪問權(quán)，C#通過lock關(guān)鍵字來提供簡(jiǎn)化的語法。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace 線程同步
{
  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)象需要為引用類型，而不能為值類型。因?yàn)樵趯⒅殿愋蛡鬟f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線程同步技術(shù)存在的問題

（1）使用比較繁瑣。要用額外的代碼把多個(gè)線程同時(shí)訪問的數(shù)據(jù)包圍起來，還并不能遺漏。

（2）使用線程同步會(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）線程同步每次只允許一個(gè)線程訪問資源，這會(huì)導(dǎo)致線程堵塞。繼而系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建更多的線程，CPU也就要負(fù)擔(dān)更繁重的調(diào)度工作。這個(gè)過程會(huì)對(duì)性能造成影響。

下面就由代碼來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：