C#執行緒

C#的執行緒（一）

初識執行緒

執行緒是一個獨立的執行單元，每個程式內部都有多個執行緒，每個執行緒都可以各自同時執行指令。每個執行緒都有自己獨立的棧，但是與程式內的其他執行緒共享記憶體。但是對於.NET的客戶端程式（Console，WPF，WinForms）是由CLR建立的單執行緒（主執行緒，且只建立一個執行緒）來啟動。在該執行緒上可以建立其他執行緒。

圖：

執行緒工作方式

多執行緒由內部執行緒排程程式管理，執行緒排程器通常是CLR委派給作業系統的函式。執行緒排程程式確保所有活動執行緒都被分配到合適的執行時間，執行緒在等待或阻止時 （例如，在一個獨佔鎖或使用者輸入） 不會消耗 CPU 時間。
在單處理器計算機上，執行緒排程程式是執行時間切片 — 迅速切換每個活動執行緒。在 Windows 中, 一個時間片是通常數十毫秒為單位的區域 — — 相比來說 執行緒間相互切換比CPU更消耗資源。在多處理器計算機上，多執行緒用一種混合的時間切片和真正的併發性來實現，不同的執行緒會在不同的cpu執行程式碼。

建立執行緒

如：

using System;
using System.Threading;

class ThreadTest
{
  static void Main()
  {
    Thread t = new Thread (Write2);          // 建立執行緒t
    t.Start();                               // 執行 Write2()
 
    // 同時執行主執行緒上的該方法
    for (int i = 0; i < 1000; i++) Console.Write ("1");
  }
 
  static void Write2()
  {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) Console.Write ("2");
  }
}

//輸出：
//111122221122221212122221212......

在主執行緒上建立了一個新的執行緒，該新執行緒執行WrWrite2方法，在呼叫t.Start()時，主執行緒並行，輸出“1”。

圖：

執行緒Start()之後，執行緒的IsAlive屬性就為true，直到該執行緒結束（當執行緒傳入的方法結束時，該執行緒就結束）。

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CLR使每個執行緒都有自己獨立的記憶體棧，所以每個執行緒的本地變數都相互獨立。

如：

static void Main() 
{
  new Thread (Go).Start();      // 建立一個新執行緒，並呼叫Go方法
  Go();                         // 在主執行緒上呼叫Go方法
}
 
static void Go()
{
  // 宣告一個本地區域性變數 cycles
  for (int cycles = 0; cycles < 5; cycles++) Console.Write ('N');
}
//輸出：
//NNNNNNNNNN (共輸出10個N)

在新執行緒和主執行緒上呼叫Go方法時分別建立了變數cycles，這時cycles在不同的執行緒棧上，所以相互獨立不受影響。

圖：

如果不同執行緒指向同一個例項的引用，那麼不同的執行緒共享該例項。

如：

class ThreadTest
{
  //全域性變數
  int i;
 
  static void Main()
  {
    ThreadTest tt = new ThreadTest();   // 建立一個ThreadTest類的例項
    new Thread (tt.Go).Start();
    tt.Go();
  }
 
  // Go方法屬於ThreadTest的例項
  void Go() 
  {
     if (i==1) { ++i; Console.WriteLine (i); }
  }
}
//輸出：
//2

新執行緒和主執行緒上呼叫了同一個例項的Go方法，所以變數i共享。

靜態變數也可以被多執行緒共享

class ThreadTest 
{
  static int i;    // 靜態變數可以被執行緒共享
 
  static void Main()
  {
    new Thread (Go).Start();
    Go();
  }
 
  static void Go()
  {
    if (i==1) { ++i; Console.WriteLine (i); }
  }
}

//輸出：
//2

如果將Go方法的程式碼位置互換

 static void Go()
  {
    if (i==1) {  Console.WriteLine (i);++i;}
  }

//輸出：
//1
//1（有時輸出一個，有時輸出兩個）

如果新執行緒在Write之後，done=true之前，主執行緒也執行到了write那麼就會有兩個done。

不同執行緒在讀寫共享欄位時會出現不可控的輸出，這就是多執行緒的執行緒安全問題。

解決方法： 使用排它鎖來解決這個問題--lock

class ThreadSafe 
{
  static bool done;
  static readonly object locker = new object();
 
  static void Main()
  {
    new Thread (Go).Start();
    Go();
  }
 
  static void Go()
  {
    //使用lock，確保一次只有一個執行緒執行該程式碼
    lock (locker)
    {
      if (!done) { Console.WriteLine ("Done"); done = true; }
    }
  }
}

當多個執行緒都在爭取這個排它鎖時，一個執行緒獲取該鎖，其他執行緒會處於blocked狀態（該狀態時不消耗cpu），等待另一個執行緒釋放鎖時，捕獲該鎖。這就保證了一次
只有一個執行緒執行該程式碼。

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Join和Sleep

Join可以實現暫停另一個執行緒，直到呼叫Join方法的執行緒結束。

static void Main()
{
  Thread t = new Thread (Go);
  t.Start();
  t.Join();
  Console.WriteLine ("Thread t has ended!");
}
 
static void Go()
{
  for (int i = 0; i < 1000; i++) Console.Write ("y");
}

//輸出：
//yyyyyy..... Thread t has ended!

執行緒t呼叫Join方法，阻塞主執行緒，直到t執行緒執行結束，再執行主執行緒。

Sleep:暫停該執行緒一段時間

Thread.Sleep (TimeSpan.FromHours (1));  // 暫停一個小時
Thread.Sleep (500);                     // 暫停500毫秒

Join是暫停別的執行緒，Sleep是暫停自己執行緒。

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上面的例子是使用Thread類的建構函式，給建構函式傳入一個ThreadStart委託。來實現的。

public delegate void ThreadStart();

然後呼叫Start方法，來執行該執行緒。委託執行完該執行緒也結束。

如：

class ThreadTest
{
  static void Main() 
  {
    Thread t = new Thread (new ThreadStart (Go));
 
    t.Start();   // 執行Go方法
    Go();        // 同時在主執行緒上執行Go方法
  }
 
  static void Go()
  {
    Console.WriteLine ("hello!");
  }
}

多數情況下，可以不用new ThreadStart委託。直接在建構函式裡傳入void型別的方法。

Thread t = new Thread (Go); 

使用lambda表示式

static void Main()
{
  Thread t = new Thread ( () => Console.WriteLine ("Hello!") );
  t.Start();
}

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Foreground執行緒和Background執行緒

預設情況下建立的執行緒都是Foreground，只要有一個Foregournd執行緒在執行，應用程式就不會關閉。
Background執行緒則不是。一旦Foreground執行緒執行完，應用程式結束，background就會強制結束。
可以用IsBackground來檢視該執行緒是什麼型別的執行緒。

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執行緒異常捕獲

public static void Main()
{
  try
  {
    new Thread (Go).Start();
  }
  catch (Exception ex)
  {
    // 不能捕獲異常
    Console.WriteLine ("Exception!");
  }
}
 
static void Go() { throw null; }   //丟擲 Null異常

此時並不能在Main方法裡捕獲執行緒Go方法的異常，如果是Thread自身的異常可以捕獲。

正確捕獲方式：

public static void Main()
{
   new Thread (Go).Start();
}
 
static void Go()
{
  try
  {
    // ...
    throw null;    // 這個異常會被下面捕獲
    // ...
  }
  catch (Exception ex)
  {
     // ...
  }
}

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執行緒池

當建立一個執行緒時，就會消耗幾百毫秒cpu，建立一些新的私有區域性變數棧。每個執行緒還消耗（預設）約1 MB的記憶體。執行緒池通過共享和回收執行緒，允許在不影響效能的情況下啟用多執行緒。
每個.NET程式都有一個執行緒池，執行緒池維護著一定數量的工作執行緒，這些執行緒等待著執行分配下來的任務。

執行緒池執行緒注意點：

1 執行緒池的執行緒不能設定名字（導致執行緒除錯困難）。
2 執行緒池的執行緒都是background執行緒
3 阻塞一個執行緒池的執行緒，會導致延遲。
4 可以隨意設定執行緒池的優先順序，在回到執行緒池時改執行緒就會被重置。

通過Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread.可以檢視該執行緒是否是執行緒池的執行緒。

使用執行緒池建立執行緒的方法：

• Task
• ThreadPool.QueueUserWorkItem
• Asynchronous delegates
• BackgroundWorker

TPL

Framework4.0下可以使用Task來建立執行緒池執行緒。呼叫Task.Factory.StartNew(),傳遞一個委託

• Task.Factory.StartNew

static void Main() 
{
  Task.Factory.StartNew (Go);
}
 
static void Go()
{
  Console.WriteLine ("Hello from the thread pool!");
}

Task.Factory.StartNew 返回一個Task物件。可以呼叫該Task物件的Wait來等待該執行緒結束,呼叫Wait時會阻塞呼叫者的執行緒。

• Task建構函式
  給Task建構函式傳遞Action委託，或對應的方法，呼叫start方法，啟動任務

static void Main() 
{
  Task t=new Task(Go);
  t.Start();
}
 
static void Go()
{
  Console.WriteLine ("Hello from the thread pool!");
}

• Task.Run

直接呼叫Task.Run傳入方法，執行。

static void Main() 
{
  Task.Run(() => Go());
}
 
static void Go()
{
  Console.WriteLine ("Hello from the thread pool!");
}

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QueueUserWorkItem

QueueUserWorkItem沒有返回值。使用 QueueUserWorkItem,只需傳遞相應委託的方法就行。

static void Main()
{
  //Go方法的引數data此時為空
  ThreadPool.QueueUserWorkItem (Go);
  //Go方法的引數data此時為123
  ThreadPool.QueueUserWorkItem (Go, 123);
  Console.ReadLine();
}
 
static void Go (object data) 
{
  Console.WriteLine ("Hello from the thread pool! " + data);
}

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委託非同步

委託非同步可以返回任意型別個數的值。
使用委託非同步的方式：

1. 宣告一個和方法匹配的委託
2. 呼叫該委託的BeginInvoke方法，獲取返回型別為IAsyncResult的值
3. 呼叫EndInvoke方法傳遞IAsyncResulte型別的值獲取最終結果

如：

static void Main()
{
  Func<string, int> method = Work;
  IAsyncResult cookie = method.BeginInvoke ("test", null, null);
  //
  // ... 此時可以同步處理其他事情
  //
  int result = method.EndInvoke (cookie);
  Console.WriteLine ("String length is: " + result);
}
 
static int Work (string s) { return s.Length; }

使用回撥函式來簡化委託的非同步呼叫,回撥函式引數為IAsyncResult型別

static void Main()
{
  Func<string, int> method = Work;
  method.BeginInvoke ("test", Done, method);
  // ...
  //並行其他事情
}
 
static int Work (string s) { return s.Length; }
 
static void Done (IAsyncResult cookie)
{
  var target = (Func<string, int>) cookie.AsyncState;
  int result = target.EndInvoke (cookie);
  Console.WriteLine ("String length is: " + result);
}

使用匿名方法

 Func<string, int> f = s => { return s.Length; };
  f.BeginInvoke("hello", arg =>
  {
      var target = (Func<string, int>)arg.AsyncState;
      int result = target.EndInvoke(arg);
      Console.WriteLine("String length is: " + result);
  }, f);

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執行緒傳參和執行緒返回值

Thread

Thread建構函式傳遞方法有兩種方式：

public delegate void ThreadStart();
public delegate void ParameterizedThreadStart (object obj);

所以Thread可以傳遞零個或一個引數，但是沒有返回值。

• 使用lambda表示式直接傳入引數。

static void Main()
{
  Thread t = new Thread ( () => Print ("Hello from t!") );
  t.Start();
}
 
static void Print (string message) 
{
  Console.WriteLine (message);
}

• 呼叫Start方法時傳入引數

static void Main()
{
  Thread t = new Thread (Print);
  t.Start ("Hello from t!");
}
 
static void Print (object messageObj)
{
  string message = (string) messageObj;   
  Console.WriteLine (message);
}

Lambda簡潔高效，但是在捕獲變數的時候要注意，捕獲的變數是否共享。
如：

for (int i = 0; i < 10; i++)
  new Thread (() => Console.Write (i)).Start();

//輸出：
//0223447899

因為每次迴圈中的i都是同一個i，是共享變數，在輸出的過程中，i的值會發生變化。

解決方法-區域性域變數

for (int i = 0; i < 10; i++)
{
  int temp = i;
  new Thread (() => Console.Write (temp)).Start();
}

這時每個執行緒都指向新的域變數temp（此時每個執行緒都有屬於自己的花括號的域變數）在該執行緒中temp不受其他執行緒影響。

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委託

委託可以有任意個傳入和輸出引數。以Action，Func來舉例。

• Action 有零個或多個傳入引數，但是沒有返回值。
• Func 有零個或多個傳入引數，和一個返回值。

  Func<string, int> method = Work;
  IAsyncResult cookie = method.BeginInvoke("test", null, null);
  //
  // ... 此時可以同步處理其他事情
  //
  int result = method.EndInvoke(cookie);
  Console.WriteLine("String length is: " + result);        

  int Work(string s) { return s.Length; }

使用回撥函式獲取返回值

static void Main()
{
  Func<string, int> method = Work;
  method.BeginInvoke ("test", Done, null);
  // ...
  //並行其他事情
}
 
static int Work (string s) { return s.Length; }
 
static void Done (IAsyncResult cookie)
{
  var target = (Func<string, int>) cookie.AsyncState;
  int result = target.EndInvoke (cookie);
  Console.WriteLine ("String length is: " + result);
}

EndInvoke做了三件事情：

1. 等待委託非同步的結束。
2. 獲取返回值。
3. 丟擲未處理異常給呼叫執行緒。

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Task

Task泛型允許有返回值。

如：

static void Main()
{
  // 建立Task並執行
  Task<string> task = Task.Factory.StartNew<string>
    ( () => DownloadString ("http://www.baidu.com") ); 
  // 同時執行其他方法
  Console.WriteLine("begin");
  //等待獲取返回值，並且不會阻塞主執行緒
  Console.WriteLine(task.Result);
  Console.WriteLine("end");
} 
static string DownloadString (string uri)
{
  using (var wc = new System.Net.WebClient())
    return wc.DownloadString (uri);
}

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參考：

• http://www.albahari.com/threading/
• 《C#併發程式設計經典例項》