C#多线程(上)

一、多线程的相关概念

什么是进程？

当一个程序开始运行时，它就是一个进程，进程包括运行中的程序和程序所使用到的内存和系统资源。而一个进程又是由多个线程所组成的。

什么是线程？

线程是程序中的一个执行流，每个线程都有自己的专有寄存器(栈指针、程序计数器等)，但代码区是共享的，即不同的线程可以执行同样的函数。

什么是多线程？

多线程是指程序中包含多个执行流，即在一个程序中可以同时运行多个不同的线程来执行不同的任务，也就是说允许单个程序创建多个并行执行的线程来完成各自的任务。

多线程的好处：

可以提高CPU的利用率。在多线程程序中，一个线程必须等待的时候，CPU可以运行其它的线程而不是等待，这样就大大提高了程序的效率。

多线程的不利方面：

线程也是程序，所以线程需要占用内存，线程越多占用内存也越多；多线程需要协调和管理，所以需要CPU时间跟踪线程；线程之间对共享资源的访问会相互影响，必须解决竞用共享资源的问题；线程太多会导致控制太复杂，最终可能造成很多Bug；

接下来将对C#编程中的多线程机制进行探讨。为了省去创建GUI那些繁琐的步骤，更清晰地逼近线程的本质，接下来的所有程序都是控制台程序，程序最后的Console.ReadLine()是为了使程序中途停下来，以便看清楚执行过程中的输出。

任何程序在执行时，至少有一个主线程。

一个直观印象的线程示例：

using System;using System.Threading; 

namespace ThreadTest{　　class RunIt　　{　　　　[STAThread]　　　　static void Main(string[] args)　　　　{　　　　　　Thread.CurrentThread.Name="System Thread";//给当前线程起名为"System Thread"            Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name+"‘Status:"+Thread.CurrentThread.ThreadState);　　　　　　Console.ReadLine();　　　　}　　}}

输出如下：

System Thread‘s Status:Running

在这里，我们通过Thread类的静态属性CurrentThread获取了当前执行的线程，对其Name属性赋值“System Thread”，最后还输出了它的当前状态（ThreadState）。

所谓静态属性，就是这个类所有对象所公有的属性，不管你创建了多少个这个类的实例，但是类的静态属性在内存中只有一个。很容易理解CurrentThread为什么是静态的——虽然有多个线程同时存在，但是在某一个时刻，CPU只能执行其中一个。

在程序的头部，我们使用了如下命名空间：

using System;

using System.Threading;

在.net framework class library中，所有与多线程机制应用相关的类都是放在System.Threading命名空间中的。如果你想在你的应用程序中使用多线程，就必须包含这个类。

我们通过其中提供的Thread类来创建和控制线程，ThreadPool类用于管理线程池等。（此外还提供解决了线程执行安排，死锁，线程间通讯等实际问题的机制。）

Thread类有几个至关重要的方法，描述如下：

Start()：启动线程；

Sleep(int)：静态方法，暂停当前线程指定的毫秒数；

Abort()：通常使用该方法来终止一个线程；

Suspend()：该方法并不终止未完成的线程，它仅仅挂起线程，以后还可恢复；

Resume()：恢复被Suspend()方法挂起的线程的执行。

二、如何操纵一个线程

下面我们就动手来创建一个线程，使用Thread类创建线程时，只需提供线程入口即可。（线程入口使程序知道该让这个线程干什么事）

在C#中，线程入口是通过ThreadStart代理（delegate）来提供的，你可以把ThreadStart理解为一个函数指针，指向线程要执行的函数，当调用Thread.Start()方法后，线程就开始执行ThreadStart所代表或者说指向的函数。

打开你的VS.net，新建一个控制台应用程序（Console Application），编写完全控制一个线程的代码示例：

using System;using System.Threading; 

namespace ThreadTest{    public class Alpha    {        public void Beta()        {            while (true)            {                Console.WriteLine("Alpha.Beta is running in its own thread.");            }        }    }; 

public class Simple{    public static int Main()    {　         Console.WriteLine("Thread Start/Stop/Join Sample");            Alpha oAlpha = new Alpha();　　      file://这里创建一个线程，使之执行Alpha类的Beta()方法　　      Thread oThread = new Thread(new ThreadStart(oAlpha.Beta));　　      oThread.Start();　　      while (!oThread.IsAlive)　　            Thread.Sleep(1);　　            oThread.Abort();　　            oThread.Join();　　            Console.WriteLine();　　            Console.WriteLine("Alpha.Beta has finished"); 　　            try 　　            {　　　　            Console.WriteLine("Try to restart the Alpha.Beta thread");　　　　            oThread.Start();　　            }　　            catch (ThreadStateException) 　　            {　　　　           Console.Write("ThreadStateException trying to restart Alpha.Beta. ");　　　　           Console.WriteLine("Expected since aborted threads cannot be restarted.");　　　　           Console.ReadLine();　　            }　　          return 0;　　  }    }}

这段程序包含两个类Alpha和Simple，在创建线程oThread时我们用指向Alpha.Beta()方法的初始化了ThreadStart代理（delegate）对象，当我们创建的线程oThread调用oThread.Start()方法启动时，实际上程序运行的是Alpha.Beta()方法：

Alpha oAlpha = new Alpha();

Thread oThread = new Thread(new ThreadStart(oAlpha.Beta));

oThread.Start();

然后在Main()函数的while循环中，我们使用静态方法Thread.Sleep()让主线程停了1ms，这段时间CPU转向执行线程oThread。然后我们试图用Thread.Abort()方法终止线程oThread，注意后面的oThread.Join()，Thread.Join()方法使主线程等待，直到oThread线程结束。你可以给Thread.Join()方法指定一个int型的参数作为等待的最长时间。之后，我们试图用Thread.Start()方法重新启动线程oThread，但是显然Abort()方法带来的后果是不可恢复的终止线程，所以最后程序会抛出ThreadStateException异常。

主线程Main()函数

所有线程都是依附于Main()函数所在的线程的，Main()函数是C#程序的入口，起始线程可以称之为主线程。如果所有的前台线程都停止了，那么主线程可以终止，而所有的后台线程都将无条件终止。所有的线程虽然在微观上是串行执行的，但是在宏观上你完全可以认为它们在并行执行。

Thread.ThreadState 属性

这个属性代表了线程运行时状态，在不同的情况下有不同的值，我们有时候可以通过对该值的判断来设计程序流程。

ThreadState 属性的取值如下：

Aborted：线程已停止；

AbortRequested：线程的Thread.Abort()方法已被调用，但是线程还未停止；

Background：线程在后台执行，与属性Thread.IsBackground有关；

Running：线程正在正常运行；

Stopped：线程已经被停止；

StopRequested：线程正在被要求停止；

Suspended：线程已经被挂起（此状态下，可以通过调用Resume()方法重新运行）；

SuspendRequested：线程正在要求被挂起，但是未来得及响应；

Unstarted：未调用Thread.Start()开始线程的运行；

WaitSleepJoin：线程因为调用了Wait(),Sleep()或Join()等方法处于封锁状态；

上面提到了Background状态表示该线程在后台运行，那么后台运行的线程有什么特别的地方呢？其实后台线程跟前台线程只有一个区别，那就是后台线程不妨碍程序的终止。一旦一个进程所有的前台线程都终止后，CLR（通用语言运行环境）将通过调用任意一个存活中的后台进程的Abort()方法来彻底终止进程。

线程的优先级

当线程之间争夺CPU时间时，CPU 是按照线程的优先级给予服务的。在C#应用程序中，用户可以设定5个不同的优先级，由高到低分别是Highest，AboveNormal，Normal，BelowNormal，Lowest，在创建线程时如果不指定优先级，那么系统默认为ThreadPriority.Normal。

给一个线程指定优先级，我们可以使用如下代码：

//设定优先级为最低

myThread.Priority=ThreadPriority.Lowest;

通过设定线程的优先级，我们可以安排一些相对重要的线程优先执行，例如对用户的响应等等。

三、生产者和消费者

前面说过，每个线程都有自己的资源，但是代码区是共享的，即每个线程都可以执行相同的函数。这可能带来的问题就是几个线程同时执行一个函数，导致数据的混乱，产生不可预料的结果，因此我们必须避免这种情况的发生。

C#提供了一个关键字lock，它可以把一段代码定义为互斥段（critical section），互斥段在一个时刻内只允许一个线程进入执行，而其他线程必须等待。在C#中，关键字lock定义如下：

lock(expression) statement_block

expression代表你希望跟踪的对象，通常是对象引用。

如果你想保护一个类的实例，一般地，你可以使用this；
如果你想保护一个静态变量（如互斥代码段在一个静态方法内部），一般使用类名就可以了。

而statement_block就是互斥段的代码，这段代码在一个时刻内只可能被一个线程执行。

下面是一个使用lock关键字的典型例子，在注释里说明了lock关键字的用法和用途。

示例如下：

using System;using System.Threading;

namespace ThreadSimple{    internal class Account     {        int balance;        Random r = new Random();

internal Account(int initial)         {            balance = initial;        }         internal int Withdraw(int amount)         {            if (balance < 0)            {                //如果balance小于0则抛出异常                throw new Exception("Negative Balance");            }            //下面的代码保证在当前线程修改balance的值完成之前            //不会有其他线程也执行这段代码来修改balance的值            //因此，balance的值是不可能小于0 的            lock (this)            {                Console.WriteLine("Current Thread:"+Thread.CurrentThread.Name);                //如果没有lock关键字的保护，那么可能在执行完if的条件判断之后                //另外一个线程却执行了balance=balance-amount修改了balance的值                //而这个修改对这个线程是不可见的，所以可能导致这时if的条件已经不成立了                //但是，这个线程却继续执行balance=balance-amount，所以导致balance可能小于0                if (balance >= amount)                 {                    Thread.Sleep(5);                    balance = balance - amount;                    return amount;                }                 else                 {                    return 0; // transaction rejected                  }            }        }        internal void DoTransactions()         {            for (int i = 0; i < 100; i++)             Withdraw(r.Next(-50, 100));        }    }     internal class Test     {        static internal Thread[] threads = new Thread[10];        public static void Main()         {            Account acc = new Account (0);            for (int i = 0; i < 10; i++)             {                Thread t = new Thread(new ThreadStart(acc.DoTransactions));                threads[i] = t;            }            for (int i = 0; i < 10; i++)                 threads[i].Name=i.ToString();            for (int i = 0; i < 10; i++)                 threads[i].Start();            Console.ReadLine();        }    }}

Monitor 类锁定一个对象

当多线程公用一个对象时，也会出现和公用代码类似的问题，这种问题就不应该使用lock关键字了，这里需要用到System.Threading中的一个类Monitor，我们可以称之为监视器，Monitor提供了使线程共享资源的方案。

Monitor类可以锁定一个对象，一个线程只有得到这把锁才可以对该对象进行操作。对象锁机制保证了在可能引起混乱的情况下一个时刻只有一个线程可以访问这个对象。 Monitor必须和一个具体的对象相关联，但是由于它是一个静态的类，所以不能使用它来定义对象，而且它的所有方法都是静态的，不能使用对象来引用。下面代码说明了使用Monitor锁定一个对象的情形：

......

Queue oQueue=new Queue();

......

Monitor.Enter(oQueue);

......//现在oQueue对象只能被当前线程操纵了

Monitor.Exit(oQueue);//释放锁

如上所示，当一个线程调用Monitor.Enter()方法锁定一个对象时，这个对象就归它所有了，其它线程想要访问这个对象，只有等待它使用Monitor.Exit()方法释放锁。为了保证线程最终都能释放锁，你可以把Monitor.Exit()方法写在try-catch-finally结构中的finally代码块里。

对于任何一个被Monitor锁定的对象，内存中都保存着与它相关的一些信息:

其一是现在持有锁的线程的引用;

其二是一个预备队列，队列中保存了已经准备好获取锁的线程;

其三是一个等待队列，队列中保存着当前正在等待这个对象状态改变的队列的引用。

当拥有对象锁的线程准备释放锁时，它使用Monitor.Pulse()方法通知等待队列中的第一个线程，于是该线程被转移到预备队列中，当对象锁被释放时，在预备队列中的线程可以立即获得对象锁。

下面是一个展示如何使用lock关键字和Monitor类来实现线程的同步和通讯的例子，也是一个典型的生产者与消费者问题。

这个例程中，生产者线程和消费者线程是交替进行的，生产者写入一个数，消费者立即读取并且显示（注释中介绍了该程序的精要所在）。

用到的系统命名空间如下：

using System;

using System.Threading;

首先，定义一个被操作的对象的类Cell，在这个类里，有两个方法：ReadFromCell()和WriteToCell。消费者线程将调用ReadFromCell()读取cellContents的内容并且显示出来，生产者进程将调用WriteToCell()方法向cellContents写入数据。

示例如下：

public class Cell{        int cellContents; // Cell对象里边的内容        bool readerFlag = false; // 状态标志，为true时可以读取，为false则正在写入        public int ReadFromCell( )        {            lock(this) // Lock关键字保证了什么，请大家看前面对lock的介绍            {                if (!readerFlag)//如果现在不可读取                {                     try                    {                        //等待WriteToCell方法中调用Monitor.Pulse()方法                        Monitor.Wait(this);                    }                    catch (SynchronizationLockException e)                    {                        Console.WriteLine(e);                    }                    catch (ThreadInterruptedException e)                    {                        Console.WriteLine(e);                    }                }                Console.WriteLine("Consume: {0}",cellContents);                readerFlag = false;                //重置readerFlag标志，表示消费行为已经完成                Monitor.Pulse(this);                 //通知WriteToCell()方法（该方法在另外一个线程中执行，等待中）            }            return cellContents;        }

public void WriteToCell(int n)        {            lock(this)            {                if (readerFlag)                {                    try                    {                        Monitor.Wait(this);                    }                    catch (SynchronizationLockException e)                    {                            //当同步方法（指Monitor类除Enter之外的方法）在非同步的代码区被调用                        Console.WriteLine(e);                    }                    catch (ThreadInterruptedException e)                    {                            //当线程在等待状态的时候中止                         Console.WriteLine(e);                    }                }                cellContents = n;                Console.WriteLine("Produce: {0}",cellContents);                readerFlag = true;                 Monitor.Pulse(this);                 //通知另外一个线程中正在等待的ReadFromCell()方法            }        }}下面定义生产者类 CellProd 和消费者类 CellCons ，它们都只有一个方法ThreadRun()，以便在Main()函数中提供给线程的ThreadStart代理对象，作为线程的入口。public class CellProd{　　    Cell cell; // 被操作的Cell对象　　    int quantity = 1; // 生产者生产次数，初始化为1 

　　    public CellProd(Cell box, int request)　　    {        //构造函数        cell = box;         quantity = request; 　　    }　　    public void ThreadRun( )　　    {        for(int looper=1; looper<=quantity; looper++)　　　　        cell.WriteToCell(looper); //生产者向操作对象写入信息　　    }}

public class CellCons{　　    Cell cell; 　　    int quantity = 1; 

　　    public CellCons(Cell box, int request)　　    {                //构造函数        cell = box;         quantity = request; 　　    }　　    public void ThreadRun( )　　    {        int valReturned;        for(int looper=1; looper<=quantity; looper++)　　　　        valReturned=cell.ReadFromCell( );//消费者从操作对象中读取信息　　    }}

然后在下面这个类MonitorSample的Main()函数中，我们要做的就是创建两个线程分别作为生产者和消费者，使用CellProd.ThreadRun()方法和CellCons.ThreadRun()方法对同一个Cell对象进行操作。

public class MonitorSample{　　    public static void Main(String[] args)　　    {        int result = 0; //一个标志位，如果是0表示程序没有出错，如果是1表明有错误发生        Cell cell = new Cell( ); 

//下面使用cell初始化CellProd和CellCons两个类，生产和消费次数均为20次        CellProd prod = new CellProd(cell, 20);         CellCons cons = new CellCons(cell, 20); 

Thread producer = new Thread(new ThreadStart(prod.ThreadRun));        Thread consumer = new Thread(new ThreadStart(cons.ThreadRun));        //生产者线程和消费者线程都已经被创建，但是没有开始执行         try        {　　　　    producer.Start( );　　　　    consumer.Start( ); 

　　　　    producer.Join( ); 　　　　    consumer.Join( );　　　　    Console.ReadLine();        }        catch (ThreadStateException e)        {　　　　    //当线程因为所处状态的原因而不能执行被请求的操作　　　　    Console.WriteLine(e); 　　　　    result = 1;         }        catch (ThreadInterruptedException e)        {　　　　    //当线程在等待状态的时候中止　　　　    Console.WriteLine(e); 　　　　    result = 1;         }        //尽管Main()函数没有返回值，但下面这条语句可以向父进程返回执行结果        Environment.ExitCode = result;　　    }}

在上面的例程中，同步是通过等待Monitor.Pulse()来完成的。首先生产者生产了一个值，而同一时刻消费者处于等待状态，直到收到生产者的“脉冲(Pulse)”通知它生产已经完成，此后消费者进入消费状态，而生产者开始等待消费者完成操作后将调用Monitor.Pulese()发出的“脉冲”。

它的执行结果很简单：

Produce: 1

Consume: 1

Produce: 2

Consume: 2

Produce: 3

Consume: 3

...

Produce: 20

Consume: 20

事实上，这个简单的例子已经帮助我们解决了多线程应用程序中可能出现的大问题，只要领悟了解决线程间冲突的基本方法，很容易把它应用到比较复杂的程序中去。

本文出处：xugang http://www.cnblogs.com/xugang/archive/2008/03/23/1118594.html

时间： 2024-10-06 00:02:12

C#多线程(上)

一、多线程的相关概念

什么是进程？

什么是线程？

什么是多线程？

多线程的好处：

多线程的不利方面：

任何程序在执行时，至少有一个主线程。

Thread.ThreadState 属性

线程的优先级

Monitor 类锁定一个对象

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