C#多线程编程：线程基础

2023-05-16

原文链接：https://www.cnblogs.com/wyt007/p/9486752.html

创建线程

static void Main(string[] args)
{
    Thread t = new Thread(PrintNumbers);
    t.Start();//线程开始执行
    PrintNumbers();
    Console.ReadKey();
}

static void PrintNumbers()
{
    Console.WriteLine("Starting...");
    for (int i = 1; i < 10; i++)
    {
        Console.WriteLine(i);
    }
}

暂停线程

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Thread t = new Thread(PrintNumbersWithDelay);
        t.Start();
        PrintNumbers();
        Console.ReadKey();
    }

    static void PrintNumbers()
    {
        Console.WriteLine("Starting...");
        for (int i = 1; i < 10; i++)
        {
            Console.WriteLine(i);
        }
    }

    static void PrintNumbersWithDelay()
    {
        Console.WriteLine("Starting...");
        for (int i = 1; i < 10; i++)
        {
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));//暂停2S
            Console.WriteLine(i);
        }
    }
}

当程序运行时,会创建一个线程,该线程会执行PrintNumbersWithDelay方法中的代码。然后会立即执行PrintNumbers方法。关键之处在于在PrintNumbersWithDelay方法中加入了Thread.Sleep方法调用。这将导致线程执行该代码时,在打印任何数字之前会等待指定的时间(本例中是2秒钟),当线程处于休眠状态时,它会占用尽可能少的CPU时间。结果我们会发现通常后运行的PrintNumbers方法中的代码会比独立线程中的PrintNumbersWithDelay方法中的代码先执行。

线程等待

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Starting program...");
        Thread t = new Thread(PrintNumbersWithDelay);
        t.Start();
        t.Join();
        Console.WriteLine("Thread completed");
    }

    static void PrintNumbersWithDelay()
    {
        Console.WriteLine("Starting...");
        for (int i = 1; i < 10; i++)
        {
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
            Console.WriteLine(i);
        }
    }
}

当程序运行时,启动了一个耗时较长的线程来打印数字,打印每个数字前要等待两秒。但我们在主程序中调用了t.Join方法,该方法允许我们等待直到线程t完成。当线程t完成时,主程序会继续运行。借助该技术可以实现在两个线程间同步执行步骤。第一个线程会等待另一个线程完成后再继续执行。第一个线程等待时是处于阻塞状态(正如暂停线程中调用 Thread.Sleep方法一样)。

终止线程

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Starting program...");
        Thread t = new Thread(PrintNumbersWithDelay);
        t.Start();
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(6));
        t.Abort();
        Console.WriteLine("A thread has been aborted");
    }

    static void PrintNumbersWithDelay()
    {
        Console.WriteLine("Starting...");
        for (int i = 1; i < 10; i++)
        {
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
            Console.WriteLine(i);
        }
    }
}

当主程序和单独的数字打印线程运行时,我们等待6秒后对线程调用了t.Abort方法。这给线程注入了ThreadAbortException方法,导致线程被终结。这非常危险,因为该异常可以在任何时刻发生并可能彻底摧毁应用程序。另外,使用该技术也不一定总能终止线程。目标线程可以通过处理该异常并调用Thread.ResetAbort方法来拒绝被终止。因此并不推荐使用Abort方法来关闭线程。可优先使用一些其他方法,比如提供一个CancellationToken方法来,取消线程的执行。

监测线程状态

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Starting program...");
        Thread t = new Thread(PrintNumbersWithStatus);
        Thread t2 = new Thread(DoNothing);
        Console.WriteLine(t.ThreadState.ToString());
        t2.Start();
        t.Start();
        for (int i = 1; i < 30; i++)
        {
            Console.WriteLine(t.ThreadState.ToString());
        }
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(6));
        t.Abort();
        Console.WriteLine("A thread has been aborted");
        Console.WriteLine(t.ThreadState.ToString());
        Console.WriteLine(t2.ThreadState.ToString());

        Console.ReadKey();
    }

    static void DoNothing()
    {
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
    }

    static void PrintNumbersWithStatus()
    {
        Console.WriteLine("Starting...");
        Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.ThreadState.ToString());
        for (int i = 1; i < 10; i++)
        {
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
            Console.WriteLine(i);
        }
    }
}

当主程序启动时定义了两个不同的线程。一个将被终止,另一个则会成功完成运行。线,.程状态位于Thread对象的ThreadState属性中。ThreadState属性是一个C#枚举对象。刚开始线程状态为ThreadState.Unstarted,然后我们启动线程,并估计在一个周期为30次迭代的区间中,线程状态会从ThreadState.Running变为ThreadState.WaitSleepJoin。
请注意始终可以通过Thread.CurrentThread静态属性获得当前Thread对象。
如果实际情况与以上不符,请增加迭代次数。终止第一个线程后,会看到现在该线程状态为ThreadState.Aborted,程序也有可能会打印出ThreadState.AbortRequested状态。这充分说明了同步两个线程的复杂性。请记住不要在程序中使用线程终止。我在这里使用它只是为 ,了展示相应的线程状态。
最后可以看到第二个线程t2成功完成并且状态为ThreadState.Stopped。另外还有一些其,他的线程状态,但是要么已经被弃用,要么没有我们实验过的几种状态有用。

线程优先级

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Current thread priority: {0}", Thread.CurrentThread.Priority);
        Console.WriteLine("Running on all cores available");
        RunThreads();
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
        Console.WriteLine("Running on a single core");
        Process.GetCurrentProcess().ProcessorAffinity = new IntPtr(1);
        RunThreads();
    }

    static void RunThreads()
    {
        var sample = new ThreadSample();

        var threadOne = new Thread(sample.CountNumbers);
        threadOne.Name = "ThreadOne";
        var threadTwo = new Thread(sample.CountNumbers);
        threadTwo.Name = "ThreadTwo";

        threadOne.Priority = ThreadPriority.Highest;
        threadTwo.Priority = ThreadPriority.Lowest;
        threadOne.Start();
        threadTwo.Start();

        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
        sample.Stop();

        Console.ReadKey();
    }

    class ThreadSample
    {
        private bool _isStopped = false;

        public void Stop()
        {
            _isStopped = true;
        }

        public void CountNumbers()
        {
            long counter = 0;

            while (!_isStopped)
            {
                counter++;
            }

            Console.WriteLine("{0} with {1,11} priority " +
                        "has a count = {2,13}", Thread.CurrentThread.Name,
                        Thread.CurrentThread.Priority,
                        counter.ToString("N0"));
        }
    }
}

当主程序启动时定义了两个不同的线程。第一个线程优先级为ThreadPriority.Highest,即具有最高优先级。第二个线程优先级为ThreadPriority.Lowest,即具有最低优先级。我们先, ,打印出主线程的优先级值,然后在所有可用的CPU核心上启动这两个线程。如果拥有一个1以上的计算核心,将在两秒钟内得到初步结果。最高优先级的线程通常会计算更多的迭代.但是两个值应该很接近。然而,如果有其他程序占用了所有的CPU核心运行负载,结果则会截然不同。
为了模拟该情形,我们设置了ProcessorAffinity选项,让操作系统将所有的线程运,行在单个CPU核心(第一个核心)上。现在结果完全不同,并且计算耗时将超过2秒钟。这是因为CPU核心大部分时间在运行高优先级的线程,只留给剩下的线程很少的时间来运行。
请注意这是操作系统使用线程优先级的一个演示。通常你无需使用这种行为编写程序。

前台线程和后台线程

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        var sampleForeground = new ThreadSample(10);
        var sampleBackground = new ThreadSample(20);

        var threadOne = new Thread(sampleForeground.CountNumbers);
        threadOne.Name = "ForegroundThread";
        var threadTwo = new Thread(sampleBackground.CountNumbers);
        threadTwo.Name = "BackgroundThread";
        threadTwo.IsBackground = true;

        threadOne.Start();
        threadTwo.Start();

        Console.ReadKey();
    }

    class ThreadSample
    {
        private readonly int _iterations;

        public ThreadSample(int iterations)
        {
            _iterations = iterations;
        }
        public void CountNumbers()
        {
            for (int i = 0; i < _iterations; i++)
            {
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.5));
                Console.WriteLine("{0} prints {1}", Thread.CurrentThread.Name, i);
            }
        }
    }
}

当主程序启动时定义了两个不同的线程。默认情况下,显式创建的线程是前台线程。通过手动的设置threadTwo对象的IsBackground属性为ture来创建一个后台线程。通过配置来实现第一个线程会比第二个线程先完成。然后运行程序。
第一个线程完成后,程序结束并且后台线程被终结。这是前台线程与后台线程的主要区,别:进程会等待所有的前台线程完成后再结束工作,但是如果只剩下后台线程,则会直接结束工作。
一个重要注意事项是如果程序定义了一个不会完成的前台线程,主程序并不会正常结束。

向线程传递参数

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        var sample = new ThreadSample(10);

        var threadOne = new Thread(sample.CountNumbers);
        threadOne.Name = "ThreadOne";
        threadOne.Start();
        threadOne.Join();

        Console.WriteLine("--------------------------");

        var threadTwo = new Thread(Count);
        threadTwo.Name = "ThreadTwo";
        threadTwo.Start(8);
        threadTwo.Join();

        Console.WriteLine("--------------------------");

        var threadThree = new Thread(() => CountNumbers(12));
        threadThree.Name = "ThreadThree";
        threadThree.Start();
        threadThree.Join();
        Console.WriteLine("--------------------------");

        int i = 10;
        var threadFour = new Thread(() => PrintNumber(i));
        i = 20;
        var threadFive = new Thread(() => PrintNumber(i));
        threadFour.Start(); 
        threadFive.Start();
    }

    static void Count(object iterations)
    {
        CountNumbers((int)iterations);
    }

    static void CountNumbers(int iterations)
    {
        for (int i = 1; i <= iterations; i++)
        {
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.5));
            Console.WriteLine("{0} prints {1}", Thread.CurrentThread.Name, i);
        }
    }

    static void PrintNumber(int number)
    {
        Console.WriteLine(number);
    }

    class ThreadSample
    {
        private readonly int _iterations;

        public ThreadSample(int iterations)
        {
            _iterations = iterations;
        }
        public void CountNumbers()
        {
            for (int i = 1; i <= _iterations; i++)
            {
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.5));
                Console.WriteLine("{0} prints {1}", Thread.CurrentThread.Name, i);
            }
        }
    }
}

当主程序启动时,首先创建了ThreadSample类的一个对象,并提供了一个迭代次数。然后使用该对象的CountNumbers方法启动线程。该方法运行在另一个线程中,但是使用数字10,该数字是通过ThreadSample对象的构造函数传入的。因此,我们只是使用相同的间接方式将该迭代次数传递给另一个线程。
另一种传递数据的方式是使用Thread.Start方法。该方法会接收一个对象,并将该对象,传递给线程。为了应用该方法,在线程中启动的方法必须接受object类型的单个参数。在创建threadTwo线程时演示了该方式。我们将8作为一个对象传递给了Count方法,然后 Count方法被转换为整型。
接下来的方式是使用lambda表达式。lambda表达式定义了一个不属于任何类的方法。我们创建了一个方法,该方法使用需要的参数调用了另一个方法,并在另一个线程中运行该方法。当启动threadThree线程时,打印出了12个数字,这正是我们通过lambda表达式传递的数字。
使用lambda表达式引用另一个C#对象的方式被称为闭包。当在lambda表达式中使用任何局部变量时, C#会生成一个类,并将该变量作为该类的一个属性。所以实际上该方式与 threadOne线程中使用的一样,但是我们无须定义该类, C#编译器会自动帮我们实现。
这可能会导致几个问题。例如,如果在多个lambda表达式中使用相同的变量,它们会共享该变量值。在前一个例子中演示了这种情况。当启动threadFour和threadFive线程时,.它们都会打印20,因为在这两个线程启动之前变量被修改为20。

使用C#中的lock关键字

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Incorrect counter");

        var c = new Counter();

        var t1 = new Thread(() => TestCounter(c));
        var t2 = new Thread(() => TestCounter(c));
        var t3 = new Thread(() => TestCounter(c));
        t1.Start();
        t2.Start();
        t3.Start();
        t1.Join();
        t2.Join();
        t3.Join();

        Console.WriteLine("Total count: {0}",c.Count);
        Console.WriteLine("--------------------------");

        Console.WriteLine("Correct counter");

        var c1 = new CounterWithLock();

        t1 = new Thread(() => TestCounter(c1));
        t2 = new Thread(() => TestCounter(c1));
        t3 = new Thread(() => TestCounter(c1));
        t1.Start();
        t2.Start();
        t3.Start();
        t1.Join();
        t2.Join();
        t3.Join();
        Console.WriteLine("Total count: {0}", c1.Count);

        Console.ReadKey();

    }

    static void TestCounter(CounterBase c)
    {
        for (int i = 0; i < 100000; i++)
        {
            c.Increment();
            c.Decrement();
        }
    }

    class Counter : CounterBase
    {
        public int Count { get; private set; }

        public override void Increment()
        {
            Count++;
        }

        public override void Decrement()
        {
            Count--;
        }
    }

    class CounterWithLock : CounterBase
    {
        private readonly object _syncRoot = new Object();

        public int Count { get; private set; }

        public override void Increment()
        {
            lock (_syncRoot)
            {
                Count++;
            }
        }

        public override void Decrement()
        {
            lock (_syncRoot)
            {
                Count--;
            }
        }
    }

    abstract class CounterBase
    {
        public abstract void Increment();

        public abstract void Decrement();
    }
}

当主程序启动时,创建了一个Counter类的对象。该类定义了一个可以递增和递减的简,单的计数器。然后我们启动了三个线程。这三个线程共享同一个counter实例,在一个周期中进行一次递增和一次递减。这将导致不确定的结果。如果运行程序多次,则会打印出多个不同的计数器值。结果可能是0,但大多数情况下则不是0。
这是因为Counter类并不是线程安全的。当多个线程同时访问counter对象时,第一个线程得到的counter值10并增加为11,然后第二个线程得到的值是11并增加为12,第一个线程得到counter值12,但是递减操作发生前,第二个线程得到的counter值也是12,然后 , 第一个线程将12递减为11并保存回counter中,同时第二个线程进行了同样的操作。结果,我们进行了两次递增操作但是只有一次递减操作,这显然不对。这种情形被称为竞争条件, (race condition),竞争条件是多线程环境中非常常见的导致错误的原因。
为了确保不会发生以上情形,必须保证当有线程操作counter对象时,所有其他线程必须等待直到当前线程完成操作。我们可以使用lock关键字来实现这种行为。如果锁定了一个对象,需要访问该对象的所有其他线程则会处于阻塞状态,并等待直到该对象解除锁定。这可能会导致严重的性能问题,在第2章中将会进一步学习该知识点。

使用Monitor类锁定资源

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        object lock1 = new object();
        object lock2 = new object();

        new Thread(() => LockTooMuch(lock1, lock2)).Start();

        lock (lock2)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            Console.WriteLine("Monitor.TryEnter allows not to get stuck, returning false after a specified timeout is elapsed");
            if (Monitor.TryEnter(lock1, TimeSpan.FromSeconds(5)))
            {
                Console.WriteLine("Acquired a protected resource succesfully");
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("Timeout acquiring a resource!");
            }
        }

        new Thread(() => LockTooMuch(lock1, lock2)).Start();

        Console.WriteLine("----------------------------------");
        lock (lock2)
        {
            Console.WriteLine("This will be a deadlock!");
            Thread.Sleep(1000);
            lock (lock1)
            {
                Console.WriteLine("Acquired a protected resource succesfully");
            }
        }

        Console.ReadKey();
    }

    static void LockTooMuch(object lock1, object lock2)
    {
        lock (lock1)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            lock (lock2);
        }
    }
}

先看看LockTooMuch方法。在该方法中我们先锁定了第一个对象,等待一秒后锁定了第二个对象。然后在另一个线程中启动该方法。最后尝试在主线程中先后锁定第二个和第一个对象。
如果像该示例的第二部分一样使用lock关键字,将会造成死锁。第一个线程保持对, lock1对象的锁定,等待直到lock2对象被释放。主线程保持对lock2对象的锁定并等待直到。lock1对象被释放,但lock1对象永远不会被释放。
实际上lock关键字是Monitor类用例的一个语法糖。如果我们分解使用了lock关键字的代码,将会看到它如下面代码片段所示:

bool acquiredLock = false;
try
{
    Monitor.Enter(lockObject, ref acquiredLock);
}
finally 
{
    if (acquiredLock)
    {
        Monitor.Exit(lockObject);
    }
}

因此,我们可以直接使用Monitor类。其拥有TryEnter方法,该方法接受一个超时参数。如果在我们能够获取被lock保护的资源之前,超时参数过期,则该方法会返回 false。

处理异常

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        var t = new Thread(FaultyThread);
        t.Start();
        t.Join();

        try
        {
            t = new Thread(BadFaultyThread);
            t.Start();
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine("We won't get here!");
        }
    }

    static void BadFaultyThread()
    {
        Console.WriteLine("Starting a faulty thread...");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
        throw new Exception("Boom!");
    }

    static void FaultyThread()
    {
        try
        {
            Console.WriteLine("Starting a faulty thread...");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            throw new Exception("Boom!");
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine("Exception handled: {0}", ex.Message);
        }
    }
}

当主程序启动时,定义了两个将会抛出异常的线程。其中一个对异常进行了处理,另一个则没有。可以看到第二个异常没有被包裹启动线程的try/catch代码块捕获到。所以如果直接使用线程,一般来说不要在线程中抛出异常,而是在线程代码中使用try/catch代码块。
在较老版本的.NET Framework中(1.0和1.1),该行为是不一样的,未被捕获的异常不会强制应用程序关闭。可以通过添加一个包含以下代码片段的应用程序配置文件(比如app config)来使用该策略。

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