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C#多線程學(xué)習(xí)之Thread、ThreadPool、Task、Parallel四者區(qū)別

 更新時(shí)間：2021年12月17日 08:39:24   作者：Alan.hsiang  
這篇文章主要以一些簡單的小例子，簡述多線程的發(fā)展歷程:Thread，ThreadPool，Task，Parallel。文中的示例代碼講解詳細(xì)，對(duì)我們學(xué)習(xí)C#多線程有一定幫助，需要的朋友可以參考一下

線程（英語：thread）是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的最小單位。它被包含在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中的實(shí)際運(yùn)作單位。一條線程指的是進(jìn)程中一個(gè)單一順序的控制流，一個(gè)進(jìn)程中可以并發(fā)多個(gè)線程，每條線程并行執(zhí)行不同的任務(wù)。進(jìn)程是資源分配的基本單位。所有與該進(jìn)程有關(guān)的資源，都被記錄在進(jìn)程控制塊PCB中。以表示該進(jìn)程擁有這些資源或正在使用它們。本文以一些簡單的小例子，簡述多線程的發(fā)展歷程【Thread，ThreadPool，Task，Parallel】，僅供學(xué)習(xí)分享使用，如有不足之處，還請(qǐng)指正。

Thread

Thread做為早期【.Net Framework1.0】的.Net提供的多線程方案，提供了很多的封裝方法，來操作線程。具體如下所示：

  1. Start方法，用于啟動(dòng)一個(gè)線程。線程的狀態(tài)變更為Running。
  2. Suspend方法，掛起一個(gè)線程，或者如果線程狀態(tài)為已掛起，則不起作用。
  3. Resume方法，如果線程為已掛起，這繼續(xù)運(yùn)行。
  4. Join方法，等待線程，直到線程結(jié)束，也可以設(shè)置等待時(shí)間。
  5. Abort方法，強(qiáng)制終止線程，跑出ThreadAbortException異常。
  6. 其他線程屬性：IsBackground是否后臺(tái)線程，IsThreadPoolThread是否線程池線程，IsAlive線程是否運(yùn)行，Priority線程優(yōu)先級(jí)，ThreadState當(dāng)前線程狀態(tài)，ManagedThreadId線程唯一標(biāo)識(shí)等

通過Thread可以單獨(dú)的開啟一個(gè)線程，通過構(gòu)造函數(shù)來創(chuàng)建線程對(duì)象，可以是無參數(shù)也可以是帶參數(shù)。其中參數(shù)ThreadStart是一個(gè)無參數(shù)委托，ParameterizedThreadStart為一個(gè)帶參數(shù)委托。

無參數(shù)，示例如下所示：

private void btnThread_Click(object sender, EventArgs e)
{
    ThreadStart threadStart = new ThreadStart(DoSomethingLong);
    Thread thread = new Thread(threadStart);
    thread.Start();
}

private void DoSomethingLong() {
    string name = "Thread";
    Console.WriteLine("************DoSomethingLong 開始 name= {0} 線程ID= {1} 時(shí)間 = {2}************", name, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.fff"));
    //CPU計(jì)算累加和
    long rest = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++)
    {
        rest += i;
    }
    Console.WriteLine("************DoSomethingLong 結(jié)束 name= {0} 線程ID= {1} 時(shí)間 = {2} 結(jié)果={3}************", name, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.fff"), rest);
}

示例結(jié)果如下所示：

帶參數(shù)示例，如下所示：

private void btnThread2_Click(object sender, EventArgs e)
{
    ParameterizedThreadStart threadStart = new ParameterizedThreadStart(DoSomethingLongWithParam);
    Thread thread = new Thread(threadStart);
    string name = "Param";
    thread.Start(name);
}

private void DoSomethingLongWithParam(object name) {
    Console.WriteLine("************DoSomethingLongWithParam 開始 name= {0} 線程ID= {1} 時(shí)間 = {2}************", name, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.fff"));
    //CPU計(jì)算累加和
    long rest = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++)
    {
        rest += i;
    }
    Console.WriteLine("************DoSomethingLongWithParam 結(jié)束 name= {0} 線程ID= {1} 時(shí)間 = {2} 結(jié)果={3}************", name, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.fff"), rest);
}

帶參數(shù)示例結(jié)果，如下所示：

通過對(duì)以上示例進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下所示：

  1. 線程是由操作系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)建的，Thread提供的方法只是對(duì)底層方法的封裝。比如執(zhí)行對(duì)應(yīng)方法后，操作系統(tǒng)并不會(huì)立即執(zhí)行相應(yīng)的操作，而要CPU時(shí)間片輪轉(zhuǎn)后才會(huì)執(zhí)行響應(yīng)。
  2. Thread創(chuàng)建線程過于松散，缺乏管理，例如，如果同時(shí)創(chuàng)建10000個(gè)線程，程序也不會(huì)報(bào)錯(cuò)，但是系統(tǒng)可能無法承載如此多的線程而導(dǎo)致崩潰。
  3. Thread的頻繁創(chuàng)建和銷毀，也會(huì)消耗系統(tǒng)資源。

ThreadPool

為了應(yīng)對(duì)Thread創(chuàng)建缺乏管理的問題，在后續(xù)版本【.Net Framework2.0】中推出了線程池的概念。那什么是線程池呢？

池化資源管理設(shè)計(jì)思想：線程是一種資源，之前每次需要線程，都是去創(chuàng)建線程，使用完成后，再釋放掉。池化，就是做一個(gè)容器，容器提前申請(qǐng)指定數(shù)量的線程，需要用到線程的時(shí)候，直接到線程池中取，用完之后再放回容器【通過控制狀態(tài)標(biāo)識(shí)線程是否正在被使用】。避免頻繁的創(chuàng)建和銷毀，容器還會(huì)根據(jù)限制的數(shù)量取申請(qǐng)和釋放。

關(guān)于通過線程池創(chuàng)建多線程，具體示例如下：

private void btnThread3_Click(object sender, EventArgs e)
 {
    WaitCallback waitCallback = new WaitCallback(DoSomethingLongWithParam);
     string name = "ThreadPool";
     ThreadPool.QueueUserWorkItem(waitCallback,name);
 }

線程池示例執(zhí)行結(jié)果如下所示：

通過對(duì)線程池執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

  1. 兩次執(zhí)行結(jié)果，均為同一個(gè)線程ID，說明線程用完并未銷毀，而是放回線程池子，待下次使用時(shí)重新取出，繼續(xù)使用。
  2. 通過線程池可以有效的控制線程并發(fā)的數(shù)量，避免資源的浪費(fèi)。
  3. 通過分析源碼發(fā)現(xiàn)，ThreadPool線程池提供的接口較少，在線程等待和交互方面不太友好。

Task

隨著.Net版本的演化，后續(xù)版本【.Net Framework3.0】推出了Task做為多線程解決方案。默認(rèn)情況下，可以通過構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建Task，示例如下：

private void btnTask_Click(object sender, EventArgs e)
 {
     Action action = new Action(DoSomethingLong);
     Task task = new Task(action);
     task.Start();
 }

默認(rèn)Task示例，執(zhí)行結(jié)果如下：

通過對(duì)以上Task示例和源碼進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

  1. Task產(chǎn)生的線程，全部都是線程池線程。
  2. Task提供的豐富的API，便于開發(fā)實(shí)踐。

Parallel

Parallel提供對(duì)并行線程的支持，可以通過Parallel同時(shí)發(fā)起多個(gè)線程，在某些方面具有應(yīng)用優(yōu)勢，默認(rèn)示例如下所示：

 private void btnParallel_Click(object sender, EventArgs e)
 {
     Action action = new Action(DoSomethingLong);
     Parallel.Invoke(action,action,action);
 }

Parallel的Invoke方法執(zhí)行，結(jié)果如下：

通過對(duì)Parallel的Invoke示例方法進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

  1. Parallel的Invoke方法，可以同時(shí)開啟多個(gè)線程，同時(shí)主線程【線程ID=1】也會(huì)參與計(jì)算，即頁面也會(huì)卡住。
  2. Parallel可以通過ParallelOptions.MaxDegreeOfParallelism指定并發(fā)數(shù)量。

Task專講

以下面的一個(gè)場景為例進(jìn)行說明：

假如開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)，流程如下：

1. 前期的需求調(diào)研，需求分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)（順序執(zhí)行，是開發(fā)編碼的前提）

2.按模塊開發(fā)【中間階段，可多人同時(shí)工作】

3.測試【順序執(zhí)行，是開發(fā)編碼的后續(xù)工作】

分析：以上三個(gè)階段，每一個(gè)階段又可以細(xì)分?jǐn)?shù)個(gè)小階段，其中有些階段是順序執(zhí)行的，有些階段又可以并行執(zhí)行。

以代碼的形式進(jìn)行描述，如下所示：

private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)
{
    //開發(fā)前的工作
    Console.WriteLine("組建團(tuán)隊(duì)");
    Console.WriteLine("需求分析");
    Console.WriteLine("系統(tǒng)設(shè)計(jì)");
    Console.WriteLine("詳細(xì)設(shè)計(jì)");
    //開始開發(fā)
    Task.Run(() => { Coding("張三", "接口"); });
    Task.Run(() => { Coding("李四", "前端頁面"); });
    Task.Run(() => { Coding("王五", "手機(jī)App"); });
    Task.Run(() => { Coding("劉大", "后端業(yè)務(wù)"); });
    //開發(fā)后的工作
    Console.WriteLine("alpha測試");
    Console.WriteLine("beta測試");
    Console.WriteLine("uat測試");
    Console.WriteLine("系統(tǒng)上線");
}

private void Coding(string developer,string model) {
    Console.WriteLine("【Begin】在{0}，{1}開始開發(fā){2}，線程id為{3}", DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff"), developer,model, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    Thread.Sleep(1000);
    Console.WriteLine("【 End 】在{0}，{1}完成開發(fā){2}，線程id為{3}", DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff"), developer, model, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}

示例運(yùn)行結(jié)果，如下所示：

通過分析以上示例，發(fā)現(xiàn)程序并未按照預(yù)期的運(yùn)行，很明顯的一點(diǎn)：測試跑到了開發(fā)前面。

為了解決上述順序錯(cuò)亂的問題，Task提供了WaitAll方法，如下所示：

private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)
{
    //開發(fā)前的工作
    Console.WriteLine("組建團(tuán)隊(duì)");
    Console.WriteLine("需求分析");
    Console.WriteLine("系統(tǒng)設(shè)計(jì)");
    Console.WriteLine("詳細(xì)設(shè)計(jì)");
    //開始開發(fā)
    List<Task> tasks = new List<Task>();
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("張三", "接口"); }));
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("李四", "前端頁面"); }));
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("王五", "手機(jī)App"); }));
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("劉大", "后端業(yè)務(wù)"); }));
    Task.WaitAll(tasks.ToArray());
    //開發(fā)后的工作
    Console.WriteLine("alpha測試");
    Console.WriteLine("beta測試");
    Console.WriteLine("uat測試");
    Console.WriteLine("系統(tǒng)上線");
}

運(yùn)行示例，結(jié)果如下所示：

通過運(yùn)行以上示例，發(fā)現(xiàn)：順序確實(shí)符合預(yù)期，可以滿足要求，但是程序會(huì)卡住，這點(diǎn)不太友好。

如何才能優(yōu)雅的控制先后順序呢？Task還提供了TaskFactory，如下所示：

private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)
{
    //開發(fā)前的工作
    Console.WriteLine("組建團(tuán)隊(duì)");
    Console.WriteLine("需求分析");
    Console.WriteLine("系統(tǒng)設(shè)計(jì)");
    Console.WriteLine("詳細(xì)設(shè)計(jì)");
    //開始開發(fā)
    List<Task> tasks = new List<Task>();
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("張三", "接口"); }));
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("李四", "前端頁面"); }));
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("王五", "手機(jī)App"); }));
    tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("劉大", "后端業(yè)務(wù)"); }));
    TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
    taskFactory.ContinueWhenAll(tasks.ToArray(), new Action<Task[]>((taskArray) => {
        //開發(fā)后的工作
        Console.WriteLine("alpha測試");
        Console.WriteLine("beta測試");
        Console.WriteLine("uat測試");
        Console.WriteLine("系統(tǒng)上線");
    }));

}

TaskFactory示例測試，如下所示：

通過對(duì)示例進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

  1. 業(yè)務(wù)邏輯上已要求，頁面也不會(huì)卡頓，優(yōu)雅的實(shí)現(xiàn)了多線程的操作。
  2. Task產(chǎn)生的線程，為線程池線程。
  3. TaskFactory不僅提供了ContinueWhenAll等待所有線程，還提供了ContinueWhenAny等待任意線程。

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