C# 线程入门 00

内容预告：

• 线程入门（线程概念，创建线程）
• 同步基础（同步本质，线程安全，线程中断，线程状态，同步上下文）
• 使用线程（后台任务，线程池，读写锁，异步代理，定时器，本地存储）
• 高级话题（非阻塞线程，扶起和恢复）

C#支持通过多线程并行地执行代码，一个线程是独立的执行个体，可以和其他线程同时运行。

CLR和操作系统会给C#程序开启一个线程(主线程)，可以被用来作为创建多线程的起点，例子：

class ThreadTest {
static void Main() {
Thread t = new Thread (WriteY);
t.Start(); // Run WriteY on the new thread
while (true) Console.Write ("x"); // Write ‘x‘ forever
}
static void WriteY() {
while (true) Console.Write ("y"); // Write ‘y‘ forever
}
}

运行结果将是：

xxxxxxxxxxxxxxxxyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyy
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxyyyyyyyyyyyyy
yyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyy
yyyyyyyyyyyyyxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

主线程创建了一个线程 t ，执行了重复输出y的操作，主要线程执行了重复输出x的操作。
CLR给每个线程分配了单独的线程栈，所以本地变量是每个线程单独保存的，下面的例子，我们用一个本地变量定义一个函数，然后在main函数和新的线程里同时执行这个函数

static void Main() {
new Thread (Go).Start(); // Call Go() on a new thread
Go(); // Call Go() on the main thread
}
static void Go() {
// Declare and use a local variable - ‘cycles‘
for (int cycles = 0; cycles < 5; cycles++) Console.Write (‘?‘);
}

执行结果：

??????????

每个线程的内存栈里都创建了一个单独的变量cycle，所以输出是10个?
如果是引用同一个对象的话，线程则共享这个数据：

按 Ctrl+C 复制代码

按 Ctrl+C 复制代码

因为两个线程都调用Go()，它们共享done这个变量，所以done只输出一次：

Done

static变量提供一种不同的方式在线程中共享变量，这里是一个例子：

class ThreadTest {
static bool done; // Static fields are shared between all threads
static void Main() {
new Thread (Go).Start();
Go();
}
static void Go() {
if (!done) { done = true; Console.WriteLine ("Done"); }
}
}

这里输出就不太确定了，看起来要输出两次done，其实不可能。我们交换一下Go的次序，

class ThreadTest {
static bool done; // Static fields are shared between all threads
static void Main() {
new Thread (Go).Start();
Go();
}
static void Go() {
if (!done) { Console.WriteLine ("Done"); done = true; }
}
}

done就有可能输出两次。因为在一个线程计算if表达式然后执行Console.WriteLine ("Done");的时候，另一个线程可能有机会在done的值改变之前先输出done。
其实在C#中可以用lock来达到这个目的：

class ThreadSafe {
static bool done;
static object locker = new object();
static void Main() {
new Thread (Go).Start();
Go();
}
static void Go() {
lock (locker) {
if (!done) { Console.WriteLine ("Done"); done = true; }
}
}
}

当两个线程同时竞争一个锁时，一个线程等待，或者说阻塞，直到锁空出来。这主要是保证同时只能有一个线程可以进入临界代码区域，"Done"只会被输出一次。
代码是以这样的方式被保护的，来自于多线程上下文的不确定性，叫做线程安全。
临时地暂停，或阻塞，是线程同步的基本功能。
如果一个线程想要暂停，或者休眠一段时间，可以用：

Thread.Sleep (TimeSpan.FromSeconds (30)); // 阻塞30秒

一个线程可以通过调用Join等待另一个线程结束：

Thread t = new Thread (Go); // 假设Go是静态函数。
t.Start();
Thread.Join (t); // 阻塞,只到线程t结束。

线程和进程：

总是有面试官喜欢把线程和进程做比较，其实两者根本不是一个级别的东西。一个单独的应用程序内所有的线程都在逻辑或属于一个进程的。进程：一个运行应用程序的操作系统单元。线程与进程有些相似之处，比如：对于实例，进程和线程都是典型的时间片轮换的执行机制。关键的不同点在于进程间是相互独立的，而同一个应用程序里的线程间是共享堆内存的，这也是性能的用武之地：一个线程可以在后台运行，另一个线程可以显示得到的数据。

什么时候应该用多线程：

• 一个普通的多线程程序在后台运行耗时的任务时。主线程保持运行状态，工作线程干后台的活。在Windows Form程序里，如果主线程被长时间占用，键盘和鼠标的操作就不能处理了，然后程序就变成“无响应”了。所以，需要把耗时的任务放在后台运行，让主线程保证响应用户输入。
• 在非UI程序中，比如Windows服务，多线程就特别有用了，当等待另一台机器（例如一个应用服务器，数据库服务器，客户端）的响应时，用一个工作线程来等待，让主线程保持畅通。
• 多线程的另一个用处是在函数中有大量计算时，函数划成多个线程可以在多核的机器上执行更快（可以用Environment.ProcessorCount得到CPU核心数量）。
• 一个C#程序可以通过两种方式成为多线程：显示地创建线程，或者使用.NET显示创建线程的功能（比如BackgroundWorker，线程池，定时器，远程服务器，WebSerivce或ASP.NET程序），在后面这些情况下，只能是多线程。单线程的web服务器肯定不行。在无状态的web服务器里，多线程是相当简单的。主要的问题是如果处理缓存数据的锁机制。

什么时候不应该用多线程：

多线程也有缺点，最大的问题是会让程序变得复杂，多线程本身并不复杂，复杂在于线程间的交互。能让开发周期变长，以及Bug变多。所以需要把多个线程间的交互设计的尽量简单，或者就别用多线程，除非你可以保证的很好。

过多地在线程间切换和分配内存栈，也会带来CPU资源的消耗，通常，当硬盘IO很多时，只有一两个线程依次执行任务的程序性能要更好，而多个性能同时执行一个任务的性能不怎么样。后面会讨论生产者/消费者模型。

可以用Thread类的构造函数创建线程，传递一个ThreadStart的代理作为参数，这个代理指向将要执行的函数，以下是这个代理的定义：

public delegate void ThreadStart();

执行Start()函数，线程即开始运行，在函数结束后线程会返回，下面是创建ThreadStart的C#语法：

按 Ctrl+C 复制代码

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线程t执行Go函数，同时主线程也调用Go，执行结果是：

hello!
hello!

也可以用C#的语法糖：编译器会自动创建一个ThreadStart的代理。

static void Main() {
Thread t = new Thread (Go); // No need to explicitly use ThreadStart
t.Start();
...
}
static void Go() { ... }

还有更简单的匿名函数语法：

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

给ThreadStart传递参数：这种形式只能传递一个参数

public delegate void ParameterizedThreadStart (object obj);

class ThreadTest {
static void Main() {
Thread t = new Thread (Go);
t.Start (true); // == Go (true)
Go (false);
}
static void Go (object upperCase) {
bool upper = (bool) upperCase;
Console.WriteLine (upper ? "HELLO!" : "hello!");
}

结果：

hello!
HELLO!

如果用匿名函数方式：可以传递多个参数，且也不需要类型转换，

static void Main() {
Thread t = new Thread (delegate() { WriteText ("Hello"); });
t.Start();
}
static void WriteText (string text) { Console.WriteLine (text); }

还有一种传参的方式是传一个实例过去，而不是传一个静态函数：

class ThreadTest {
bool upper;
static void Main() {
ThreadTest instance1 = new ThreadTest();
instance1.upper = true;
Thread t = new Thread (instance1.Go);
t.Start();
ThreadTest instance2 = new ThreadTest();
instance2.Go(); // Main thread – runs with upper=false
}
void Go() { Console.WriteLine (upper ? "HELLO!" : "hello!"); }

class ThreadNaming {
static void Main() {
Thread.CurrentThread.Name = "main";
Thread worker = new Thread (Go);
worker.Name = "worker";
worker.Start();
Go();
}
static void Go() {
Console.WriteLine ("Hello from " + Thread.CurrentThread.Name);
}
}

输出：

Hello from main
Hello from worker

默认情况下，线程都是前台线程，意味着任何一个前台线程正在运行，程序就是运行的。而后台线程在所有前台线程终止时也会立即终止。

把线程从前台改为后台，线程在CPU调度器的优先级和状态是不会改变的。

class PriorityTest {
static void Main (string[] args) {
Thread worker = new Thread (delegate() { Console.ReadLine(); });
if (args.Length > 0) worker.IsBackground = true;
worker.Start();
}
}

如果这个程序执行时不带参数，worker线程默认是前台线程，并且会在ReadLine这一行等着用户输入。同时，主线程退出，但是程序会继续运行，因为ReadLine也是前台线程。如果传了一个参数给Main函数，worker线程的状态则被设置成后台状态，程序几乎会在主线程结束时立即退出--终于ReadLine。当后台线程以这种方式终止时，任何代码都不再执行了，这种代码是不推荐的，所以最好在程序退出前等待所有后台线程，可以用超时时间（Thread.Join）来做。如果因为某些原因worker线程一直不结束，也能终止这个线程，这种情况下最好记录一下日志来分析什么情况导致的。

在Windows Form中被抛弃的前台线程是个潜在的危险，因为程序在主线程结束将要退出时，它还在继续运行。在Windows的任务管理器里，它在应用程序Tab里会消失，但在进程Tab里还在。除非用户显式地结束它。

常见的程序退出失败的可能性就是忘记了前台线程。

enum ThreadPriority { Lowest, BelowNormal, Normal, AboveNormal, Highest }

线程的优先级为Highest时，并不意味着线程会实时运行，要想实时运行，进程的优先级也得是High。当你的进程的优先级是High时，如果程序进入了死循环，系统会死锁。这个时候就只有按电源键了。所以，慎用。

最好将实时线程和UI分开在两个线程，并设置成不同的优先级，通过远程或共享内存通信，共享内存需要P/Invoking Win32 API（CreateFileMapping和MapViewOfFile)。

public static void Main() {
try {
new Thread (Go).Start();
}
catch (Exception ex) {
// We‘ll never get here!
Console.WriteLine ("Exception!");
}
static void Go() { throw null; }
}

上例中的try/catch基本没用了，新创建的线程可能是未处理的空引用异常，最好在线程要执行的代码里加异常捕获：

public static void Main() {
new Thread (Go).Start();
}
static void Go() {
try {
...
throw null; // this exception will get caught below
...
}
catch (Exception ex) {
Typically log the exception, and/or signal another thread
that we‘ve come unstuck
...
}

从.NET2.0开始，线程上任何未处理的异常会导致整个程序挂掉，意味着千万别忽略异常，在线程要执行的函数里，给每个可能异常的代码加上try/catch。这可能有点麻烦，所以，很多人这样处理，用全局的异常处理：

using System;
using System.Threading;
using System.Windows.Forms;
static class Program {
static void Main() {
Application.ThreadException += HandleError;
Application.Run (new MainForm());
}
static void HandleError (object sender, ThreadExceptionEventArgs e) {
Log exception, then either exit the app or continue...
}
}

Application.ThreadException事件会在代码抛出异常时被触发，这样看起来很完美--可以捕获所有异常，但在worker线程上的异常可能捕获不了，在main函数里的窗体的构造函数，在Windows的消息循环之前就执行了。.NET提供了一个低层的事件捕获全局异常：AppDomain.UnhandledException，它才可以捕获所有异常（UI和非UI的）。虽然它提供了一个很好的方式捕获所有异常并记录异常日志，但是它没有办法阻止程序关系，也没有办法阻止.NET的异常对话框