.NET多執行緒程式設計（1）:多工和多執行緒 (轉)

.NET多執行緒程式設計（1）:多工和多執行緒 (轉)[@more@]

多執行緒（1）:多工和多執行緒:namespace prefix = o ns = "urn:schemas--com::office" />

在.NET多執行緒程式設計這個系列我們講一起來探討多執行緒程式設計的各個方面。首先我將在本篇文章的開始向大家介紹多執行緒的有關概念以及多執行緒程式設計的基礎知識;在接下來的文章中,我將逐一講述。NET平臺上多執行緒程式設計的知識,諸如System.Threading名稱空間的重要類以及方法,並就一些例子來作說明。

引言

早期的計算十分複雜,但是操作的功能確十分的簡單。那個時候的在任一時間點只能執行一個任務,也就是同一時間只能執行一個程式。多個任務的執行必須得輪流執行,在系統裡面進行排隊等候。由於的發展,要求系統功能越來越強大，這個時候出現了分時操作的概念：每個執行的程式佔有一定的處理機時間,當這個佔有時間結束後,在等待佇列等待資源的下一個程式就開始投入執行。注意這裡的程式在佔有一定的處理器時間後並沒有執行完畢，可能需要再一次或多次分配處理器時間。那麼從這裡可以看出，這樣的執行方式顯然是多個程式的並行執行，但是在宏觀上，我們感覺到多個任務是同時執行的，因此多工的概念就誕生了。每個執行的程式都有自己的空間,自己的堆疊和環境變數設定。每一個程式對應一個程式，代表著執行一個大的任務。一個程式可以啟動另外一個程式,這個被啟動的程式稱為子程式。父程式和子程式的執行只有邏輯上的先後關係，並沒有其他的關係，也就是說他們的執行是獨立的。但是，可能一個大的程式（代表著一個大的任務）,可以分割成很多的小任務，為了功能上的需要也有可能是為了加快執行的速度，可能需要同一時間執行多個任務(每個任務分配一個多執行緒來執行相應的任務)。舉個例子來說,你正在透過你的檢視一些精彩的文章，你需要把好的文章給下來，可能有些非常精彩的文章你需要收藏起來，你就用你的印表機列印這些線上的文章。在這裡，瀏覽器一邊下載HTML格式的文章，一邊還要列印文章。這就是一個程式同時執行多個任務，每個任務分配一個執行緒來完成。因此我們可以看出一個程式同時執行多個任務的能力是透過多執行緒來實現的。

多執行緒VS多工

正如上面所說的,多工是相對與作業系統而言,指的是同一時間執行多個程式的能力,雖然這麼說,但是實際上在只有一個的條件下不可能同時執行兩個以上的程式。CPU在程式之間做高速的切換,使得所有的程式在很短的時間之內可以得到更小的CPU時間,這樣從的角度來看就好象是同時在執行多個程式。多執行緒相對於作業系統而言,指的是可以同時執行同一個程式的不同部分的能力,每個執行的部分被成為執行緒。所以在編寫應用程式時,我們必須得很好的設計以 避免不同的執行緒執行時的相互干擾。這樣有助於我們設計健壯的程式,使得我們可以在隨時需要的時候新增執行緒。

執行緒的概念

執行緒可以被描述為一個微程式,它擁有起點,執行的順序系列和一個終點。它負責維護自己的堆疊,這些堆疊用於異常處理,優先順序排程和其他一些系統重新恢復執行緒執行時需要的資訊。從這個概念看來，好像執行緒與程式沒有任何的區別，實際上執行緒與程式是肯定有區別的：

一個完整的程式擁有自己獨立的記憶體空間和資料,但是同一個程式內的執行緒是共享記憶體空間和資料的。一個程式對應著一段程式,它是由一些在同一個程式裡面獨立的同時的執行的執行緒組成的。執行緒有時也被稱為並行執行在程式裡的輕量級程式,執行緒被稱為是輕量級程式是因為它的執行依賴與程式提供的上下文環境,並且使用的是程式的資源。

在一個程式裡,執行緒的排程有搶佔式或者非搶佔的。

在搶佔模式下，作業系統負責分配ＣＰＵ時間給各個程式，一旦當前的程式使用完分配給自己的ＣＰＵ時間，作業系統將決定下一個佔用ＣＰＵ時間的是哪一個執行緒。因此作業系統將定期的中斷當前正在執行的執行緒，將ＣＰＵ分配給在等待佇列的下一個執行緒。所以任何一個執行緒都不能獨佔ＣＰＵ。每個執行緒佔用ＣＰＵ的時間取決於程式和作業系統。程式分配給每個執行緒的時間很短,以至於我們感覺所有的執行緒是同時執行的。實際上,系統執行每個程式的時間有2毫秒,然後排程其他的執行緒。它同時他維持著所有的執行緒和迴圈,分配很少量的ＣＰＵ時間給執行緒。 執行緒的的切換和排程是如此之快,以至於感覺是所有的執行緒是同步執行的。

排程是什麼意思?排程意味著處理器著將要執行完ＣＰＵ時間的程式的狀態和將來某個時間裝載這個程式的狀態而恢復其執行。然而這種方式也有不足之處,一個執行緒可以在任何給定的時間中斷另外一個執行緒的執行。假設一個執行緒正在向一個做寫操作,而另外一個執行緒中斷其執行,也向同一個檔案做寫操作。 95/NT, 使用的就是這種執行緒排程方式。

在非搶佔的排程模式下,每個執行緒可以需要ＣＰＵ多少時間就佔用ＣＰＵ多少時間。在這種排程方式下,可能一個執行時間很長的執行緒使得其他所有需要ＣＰＵ的執行緒”餓死”。在處理機空閒，即該程式沒有使用ＣＰＵ時，系統可以允許其他的程式暫時使用ＣＰＵ。佔用ＣＰＵ的執行緒擁有對ＣＰＵ的控制權，只有它自己主動釋放ＣＰＵ時，其他的執行緒才可以使用ＣＰＵ。一些I/O和Windows 3。x就是使用這種排程策略。

在有些作業系統裡面，這兩種排程策略都會用到。非搶佔的排程策略線上程執行優先順序一般時用到，而對於高優先順序的執行緒排程則多采用搶佔式的排程策略。如果你不確定系統採用的是那種排程策略，假設搶佔的排程策略不可用是比較的。在設計應用程式的時候，我們認為那些佔用ＣＰＵ時間比較多的執行緒在一定的間隔是會釋放ＣＰＵ的控制權的，這時候系統會檢視那些在等待佇列裡面的與當前執行的執行緒同一優先順序或者更高的優先順序的執行緒，而讓這些執行緒得以使用ＣＰＵ。如果系統找到一個這樣的執行緒，就立即暫停當前執行的執行緒和啟用滿足條件的執行緒。如果沒有找到同一優先順序或更高階的執行緒，當前執行緒還繼續佔有ＣＰＵ。當正在執行的執行緒想釋放ＣＰＵ的控制權給一個低優先順序的執行緒，當前執行緒就轉入睡眠狀態而讓低優先順序的執行緒佔有ＣＰＵ。

在多處理器系統，作業系統會將這些獨立的執行緒分配給不同的處理器執行，這樣將會大大的加快程式的執行。執行緒執行的也會得到很大的提高，因為將執行緒的分時共享單處理器變成了分散式的多處理器執行。這種多處理器在三維建模和圖形處理是非常有用的。

需要多執行緒嗎

我們發出了一個列印的命令，要求印表機進行列印任務，假設這時候計算機停止了響應而印表機還在工作，那豈不是我們的停止手上的事情就等著這慢速的印表機列印？所幸的是，這種情況不會發生，我們在印表機工作的時候還可以同時聽或者畫圖。因為我們使用了獨立的多執行緒來執行這些任務。你可能會對多個使用者同時訪問或者web感到吃驚，他們是怎麼工作的？這是因為為每個連線到資料庫或者web伺服器的使用者建立了獨立的執行緒來維護使用者的狀態。如果一個程式的執行有一定的順序，這時候採用這種方式可能會出現問題，甚至導致整個程式崩潰。如果程式可以分成獨立的不同的任務，使用多執行緒，即使某一部分任務失敗了，對其他的也沒有影響，不會導致整個程式崩潰。

毫無疑問的是，編寫多執行緒程式使得你有了一個利器可以駕奴非多執行緒的程式，但是多執行緒也可能成為一個負擔或者需要不小的代價。如果使用的不當，會帶來更多的壞處。如果一個程式有很多的執行緒，那麼其他程式的執行緒必然只能佔用更少的ＣＰＵ時間；而且大量的ＣＰＵ時間是用於執行緒排程的；作業系統也需要足夠的記憶體空間來維護每個執行緒的上下文資訊；因此，大量的執行緒會降低系統的執行效率。因此，如果使用多執行緒的話，程式的多執行緒必須設計的很好，否則帶來的好處將遠小於壞處。因此使用多執行緒我們必須小心的處理這些執行緒的建立，排程和釋放工作。

多執行緒提示

有多種方法可以設計多執行緒的應用程式。正如後面的文章所示，我將給出詳細的程式設計示例，透過這些例子，你將可以更好的理解多執行緒。執行緒可以有不同的優先順序，舉例子來說，在我們的應用程式裡面，繪製圖形或者做大量運算的同時要接受使用者的輸入，顯然使用者的輸入需要得到第一時間的響應，而圖形繪製或者運算則需要大量的時間，暫停一下問題不大，因此使用者輸入執行緒將需要高的悠閒級，而圖形繪製或者運算低優先順序即可。這些執行緒之間相互獨立，相互不影響。

在上面的例子中，圖形繪製或者大量的運算顯然是需要站用很多的ＣＰＵ時間的，在這段時間，使用者沒有必要等著他們執行完畢再輸入資訊，因此我們將程式設計成獨立的兩個執行緒，一個負責使用者的輸入，一個負責處理那些耗時很長的任務。這將使得程式更加靈活，能夠響應。同時也可以使得使用者在執行的任何時候取消任務的可能。在這個繪製圖形的例子中，程式應該始終負責接收系統發來的訊息。如果由於程式忙於一個任務，有可能會導致螢幕變成空白，這顯然需要我們的程式來處理這樣的事件。所以我必須得有一個執行緒負責來處理這些訊息，正如剛才所說的應該觸發重畫螢幕的工作。

我們應該把握一個原則，對於那些對時間要求比較緊迫需要立即得到相應的任務，我們因該給予高的優先順序，而其他的執行緒優先順序應該低於她的優先順序。偵聽客戶端請求的執行緒應該始終是高的優先順序，對於一個與使用者互動的使用者介面的任務來說，它需要得到第一時間的響應，其優先順序因該高優先順序。