[.net 物件導向程式設計進階] (17) 多執行緒(Multithreading)(二) 利用多執行緒提高程式效能（中）

yubinfeng發表於2015-07-24

物件程式設計執行緒thread

[.net 物件導向程式設計進階] (17) 多執行緒(Multithreading)(二) 利用多執行緒提高程式效能（中）

本節要點:

上節介紹了多執行緒的基本使用方法和基本應用示例，本節深入介紹.NET多執行緒中的高階應用。

主要有線上程資源共享中的執行緒安全和執行緒衝突的解決方案；多執行緒同步，使用執行緒鎖和執行緒通知實現執行緒同步。

1、 ThreadStatic特性

特性：[ThreadStatic]

功能：指定靜態欄位在不同執行緒中擁有不同的值

在此之前，我們先看一個多執行緒的示例：

我們定義一個靜態欄位：

 static int num = 0;

然後建立兩個執行緒進行分別累加：

new Thread(() =>
{
    for (int i = 0; i < 1000000; i++)
        ++num;
    Console.WriteLine("來自{0}:{1}", Thread.CurrentThread.Name, num);
})
{ Name = "執行緒一" }.Start();

new Thread(() =>
{
    for (int i = 0; i < 2000000; i++)
        ++num;
    Console.WriteLine("來自{0}:{1}", Thread.CurrentThread.Name, num);
})
{ Name = "執行緒二" }.Start();

執行多次結果如下：

可以看到，三次的執行結果均不相同,產生這種問題的原因是多執行緒中同步共享問題導致的，即是多個執行緒同時共享了一個資源。如何解決上述問題，最簡單的方法就是使用靜態欄位的ThreadStatic特性。

在定義靜態欄位時，加上[ThreadStatic]特性，如下：

 [ThreadStatic]
static int num = 0;

兩個執行緒不變的情況下，再次執行，結果如下：

不論執行多少次，結果都是一樣的，當欄位被ThreadStatic特性修飾後，它的值在每個執行緒中都是不同的，即每個執行緒對static欄位都會重新分配記憶體空間，就當然於一次new操作，這樣一來，由於static欄位所產生的問題也就沒有了。

2. 資源共享

多執行緒的資源共享，也就是多執行緒同步（即資源同步），需要注意的是執行緒同步指的是執行緒所訪問的資源同步，並非是執行緒本身的同步。

在實際使用多執行緒的過程中，並非都是各個執行緒訪問不同的資源。

下面看一個執行緒示例，假如我們並不知道執行緒要多久完成，我們等待一個固定的時間（假如是500毫秒）:

先定義一個靜態欄位：

 static int result;

建立執行緒：

Thread myThread = new Thread(() =>
{
    Thread.Sleep(1000);
    result = 100;
});
myThread.Start();
Thread.Sleep(500);             
Console.WriteLine(result);

執行結果如下：

可以看到結果是0，顯然不是我們想要的，但往往線上程執行過程中，我們並不知道它要多久完成，能不能線上程完成後有一個通知？

這裡有很多笨的方法，比如我們可能會想到使用一個迴圈來檢測執行緒狀態，這些都不是理想的。

.NET為我們提供了一個Join方法，就是執行緒阻塞，可以解決上述問題，我們使用Stopwatch來記時，

改進執行緒程式碼如下：

System.Diagnostics.Stopwatch watch = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();
Thread myThread = new Thread(() =>
{
    Thread.Sleep(1000);
    result = 100;
});
myThread.Start();
Thread.Sleep(500);
myThread.Join();
Console.WriteLine(watch.ElapsedMilliseconds);
Console.WriteLine(result);

執行結果如下：

結果和我們想要的是一致的。

3. 執行緒鎖

除了上面示例的方法，對於執行緒同步，.NET還為我們提供了一個鎖機制來解決同步，再次改進上面示例如下：

先定義一個靜態欄位來儲存鎖：

static object locker = new object();

這裡我們可以先不用考慮這個物件是什麼。繼續看改進後的執行緒：

System.Diagnostics.Stopwatch watch = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();
Thread t1 = new Thread(() =>
{
    lock (locker)
    {
        Thread.Sleep(1000);
        result = 100;
    }
});
t1.Start();
Thread.Sleep(100);
lock (locker)
{
    Console.WriteLine("執行緒耗時："+watch.ElapsedMilliseconds);
    Console.WriteLine("執行緒輸出："+result);
}

執行結果如下：

執行結果和上面示例一樣，如果執行緒處理過程較複雜，可以看到耗時明顯減少，這是一種用比阻塞更效率的方式完成執行緒同步。

4. 執行緒通知

前面說到了能否在一個執行緒完成後，通知等待的執行緒呢，這裡.NET為我們提供了一個事件通知的方法來解決這個問題。

4.1 AutoResetEvent

先定義一個通知物件

 static EventWaitHandle tellMe = new AutoResetEvent(false);

改進上面的執行緒如下：

System.Diagnostics.Stopwatch watch = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();
Thread myThread = new Thread(() =>
{
    Thread.Sleep(1000);
    result = 100;
    tellMe.Set();
});
myThread.Start();
tellMe.WaitOne();
Console.WriteLine("執行緒耗時：" + watch.ElapsedMilliseconds);
Console.WriteLine("執行緒輸出：" + result);

執行結果如下：

4.2 ManualResetEvent

和AutoResetEvent 相對的還有一個 ManualResetEvent 手動模式，他們的區別在於，線上程結束後ManualResetEvent 還是可以通行的，除非手動Reset關閉。下面看一個示例：

先定義一個手動通知的物件：

 static EventWaitHandle mre = new ManualResetEvent(false);

建立執行緒：

System.Diagnostics.Stopwatch watch = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();
Thread myThreadFirst = new Thread(() =>
{
    Thread.Sleep(1000);
    result = 100;
    mre.Set();
}) { Name = "執行緒一" };
Thread myThreadSecond = new Thread(() =>
{
    mre.WaitOne();
    Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + "獲取結果:" + result + "("+System.DateTime.Now.ToString()+")");
}) {  Name="執行緒二"};
myThreadFirst.Start();
myThreadSecond.Start();
mre.WaitOne();
Console.WriteLine("執行緒耗時：" + watch.ElapsedMilliseconds + "(" + System.DateTime.Now.ToString() + ")");
Console.WriteLine("執行緒輸出：" + result + "(" + System.DateTime.Now.ToString() + ")");

執行結果如下：

5. Semaphore

Semaphore也是一種鎖定，只不過不是獨佔鎖，可以指定多少個執行緒訪問程式碼塊。上面的通知模式，線上程開啟的數量很多的情況下，使用Reset()關閉時，如果不使用Sleep休眠一下，很有可能導致某些執行緒沒有恢復的情況下，某一執行緒提前關閉，對於這種很難預測的情況，.NET提供了更高階的通知方式Semaphore,可以保證在超多執行緒時不會出現上述問題。

先定義一個通知物件的靜態欄位：

  static Semaphore sem = new Semaphore(2, 2);

使用迴圈建立100個執行緒：

for (int i = 1; i <= 100; i++)
{
    new Thread(() =>
    {
        sem.WaitOne();
        Thread.Sleep(30);
        Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name+"   "+DateTime.Now.ToString());
        sem.Release();
    }) { Name="執行緒"+i}.Start();
}

執行結果如下：

可以看到完整的輸出我們所想要看到的結果。

6. 本節要點：

A.執行緒中靜態欄位的ThreadStatic特性，使用該欄位在不同執行緒中擁有不同的值

B.執行緒同步的幾種方式，執行緒鎖和執行緒通知

C.執行緒通知的兩種方式：AutoResetEvent /ManualResetEvent

D.Semaphore：不獨佔鎖，可以指定多少個執行緒訪問程式碼塊。

多執行緒的更多特性，下一節繼續深入介紹。

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