C#多線(xiàn)程及同步示例簡(jiǎn)析

更新時(shí)間：2017年08月24日 10:24:20 作者：YSWALLE

這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了C#多線(xiàn)程及同步示例，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們可以參考一下

       60年代，在OS中能擁有資源和獨(dú)立運(yùn)行的基本單位是進(jìn)程，然而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)程出現(xiàn)了很多弊端，一是由于進(jìn)程是資源擁有者，創(chuàng)建、撤消與切換存在較大的時(shí)空開(kāi)銷(xiāo)，因此需要引入輕型進(jìn)程；二是由于對(duì)稱(chēng)多處理機(jī)（SMP）出現(xiàn)，可以滿(mǎn)足多個(gè)運(yùn)行單位，而多個(gè)進(jìn)程并行開(kāi)銷(xiāo)過(guò)大。
因此在80年代，出現(xiàn)了能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位——線(xiàn)程（Threads）。
       線(xiàn)程，有時(shí)被稱(chēng)為輕量級(jí)進(jìn)程(Lightweight Process，LWP），是程序執(zhí)行流的最小單元。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的線(xiàn)程由線(xiàn)程ID，當(dāng)前指令指針(PC），寄存器集合和堆棧組成。另外，線(xiàn)程是進(jìn)程中的一個(gè)實(shí)體，是被系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位，線(xiàn)程自己不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點(diǎn)兒在運(yùn)行中必不可少的資源，但它可與同屬一個(gè)進(jìn)程的其它線(xiàn)程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。一個(gè)線(xiàn)程可以創(chuàng)建和撤消另一個(gè)線(xiàn)程，同一進(jìn)程中的多個(gè)線(xiàn)程之間可以并發(fā)執(zhí)行。由于線(xiàn)程之間的相互制約，致使線(xiàn)程在運(yùn)行中呈現(xiàn)出間斷性。線(xiàn)程也有就緒、阻塞和運(yùn)行三種基本狀態(tài)。就緒狀態(tài)是指線(xiàn)程具備運(yùn)行的所有條件，邏輯上可以運(yùn)行，在等待處理機(jī)；運(yùn)行狀態(tài)是指線(xiàn)程占有處理機(jī)正在運(yùn)行；阻塞狀態(tài)是指線(xiàn)程在等待一個(gè)事件（如某個(gè)信號(hào)量），邏輯上不可執(zhí)行。每一個(gè)程序都至少有一個(gè)線(xiàn)程，若程序只有一個(gè)線(xiàn)程，那就是程序本身。
       線(xiàn)程是程序中一個(gè)單一的順序控制流程。進(jìn)程內(nèi)一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的、可調(diào)度的執(zhí)行單元，是系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派CPU的基本單位指運(yùn)行中的程序的調(diào)度單位。在單個(gè)程序中同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線(xiàn)程完成不同的工作，稱(chēng)為多線(xiàn)程。

一、線(xiàn)程簡(jiǎn)義

1、進(jìn)程與線(xiàn)程：進(jìn)程作為操作系統(tǒng)執(zhí)行程序的基本單位，擁有應(yīng)用程序的資源，進(jìn)程包含線(xiàn)程，進(jìn)程的資源被線(xiàn)程共享，線(xiàn)程不擁有資源。

2、前臺(tái)線(xiàn)程和后臺(tái)線(xiàn)程：通過(guò)Thread類(lèi)新建線(xiàn)程默認(rèn)為前臺(tái)線(xiàn)程。當(dāng)所有前臺(tái)線(xiàn)程關(guān)閉時(shí)，所有的后臺(tái)線(xiàn)程也會(huì)被直接終止，不會(huì)拋出異常。

3、掛起（Suspend）和喚醒（Resume）：由于線(xiàn)程的執(zhí)行順序和程序的執(zhí)行情況不可預(yù)知，所以使用掛起和喚醒容易發(fā)生死鎖的情況，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該盡量少用。

4、阻塞線(xiàn)程：Join，阻塞調(diào)用線(xiàn)程，直到該線(xiàn)程終止。

5、終止線(xiàn)程：Abort：拋出 ThreadAbortException 異常讓線(xiàn)程終止，終止后的線(xiàn)程不可喚醒。Interrupt：拋出 ThreadInterruptException 異常讓線(xiàn)程終止，通過(guò)捕獲異?？梢岳^續(xù)執(zhí)行。

6、線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)：AboveNormal BelowNormal Highest Lowest Normal，默認(rèn)為Normal。

二、線(xiàn)程的使用

線(xiàn)程函數(shù)通過(guò)委托傳遞，可以不帶參數(shù)，也可以帶參數(shù)（只能有一個(gè)參數(shù)），可以用一個(gè)類(lèi)或結(jié)構(gòu)體封裝參數(shù)。

namespace Test
{
  class Program
  {
    static void Main(string[] args)
    {
      Thread t1 = new Thread(new ThreadStart(TestMethod));
      Thread t2 = new Thread(new ParameterizedThreadStart(TestMethod));
      t1.IsBackground = true;
      t2.IsBackground = true;
      t1.Start();
      t2.Start("hello");
      Console.ReadKey();
    }

    public static void TestMethod()
    {
      Console.WriteLine("不帶參數(shù)的線(xiàn)程函數(shù)");
    }

    public static void TestMethod(object data)
    {
      string datastr = data as string;
      Console.WriteLine("帶參數(shù)的線(xiàn)程函數(shù)，參數(shù)為：{0}", datastr);
    }
  } 
}

三、線(xiàn)程池

由于線(xiàn)程的創(chuàng)建和銷(xiāo)毀需要耗費(fèi)一定的開(kāi)銷(xiāo)，過(guò)多的使用線(xiàn)程會(huì)造成內(nèi)存資源的浪費(fèi)，出于對(duì)性能的考慮，于是引入了線(xiàn)程池的概念。線(xiàn)程池維護(hù)一個(gè)請(qǐng)求隊(duì)列，線(xiàn)程池的代碼從隊(duì)列提取任務(wù)，然后委派給線(xiàn)程池的一個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行，線(xiàn)程執(zhí)行完不會(huì)被立即銷(xiāo)毀，這樣既可以在后臺(tái)執(zhí)行任務(wù)，又可以減少線(xiàn)程創(chuàng)建和銷(xiāo)毀所帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)。

線(xiàn)程池線(xiàn)程默認(rèn)為后臺(tái)線(xiàn)程（IsBackground）。

class Program
  {
    static void Main(string[] args)
    {
      //將工作項(xiàng)加入到線(xiàn)程池隊(duì)列中，這里可以傳遞一個(gè)線(xiàn)程參數(shù)
      ThreadPool.QueueUserWorkItem(TestMethod, "Hello");
      Console.ReadKey();
    }

    public static void TestMethod(object data)
    {
      string datastr = data as string;
      Console.WriteLine(datastr);
    }
  }

四、Task類(lèi)

使用ThreadPool的QueueUserWorkItem()方法發(fā)起一次異步的線(xiàn)程執(zhí)行很簡(jiǎn)單，但是該方法最大的問(wèn)題是沒(méi)有一個(gè)內(nèi)建的機(jī)制讓你知道操作什么時(shí)候完成，有沒(méi)有一個(gè)內(nèi)建的機(jī)制在操作完成后獲得一個(gè)返回值。為此，可以使用System.Threading.Tasks中的Task類(lèi)。

構(gòu)造一個(gè)Task<TResult>對(duì)象，并為泛型TResult參數(shù)傳遞一個(gè)操作的返回類(lèi)型。

class Program
  {
    static void Main(string[] args)
    {
      Task<Int32> t = new Task<Int32>(n => Sum((Int32)n), 1000);
      t.Start();
      t.Wait();
      Console.WriteLine(t.Result);
      Console.ReadKey();
    }

    private static Int32 Sum(Int32 n)
    {
      Int32 sum = 0;
      for (; n > 0; --n)
        checked{ sum += n;} //結(jié)果太大，拋出異常
      return sum;
    }
  }

一個(gè)任務(wù)完成時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)一個(gè)新任務(wù)。

一個(gè)任務(wù)完成后，它可以啟動(dòng)另一個(gè)任務(wù)，下面重寫(xiě)了前面的代碼，不阻塞任何線(xiàn)程。

class Program
  {
    static void Main(string[] args)
    {
      Task<Int32> t = new Task<Int32>(n => Sum((Int32)n), 1000);
      t.Start();
      //t.Wait();
      Task cwt = t.ContinueWith(task => Console.WriteLine("The result is {0}",t.Result));
      Console.ReadKey();
    }

    private static Int32 Sum(Int32 n)
    {
      Int32 sum = 0;
      for (; n > 0; --n)
        checked{ sum += n;} //結(jié)果溢出，拋出異常
      return sum;
    }
  }

五、委托異步執(zhí)行

委托的異步調(diào)用：BeginInvoke() 和 EndInvoke()

public delegate string MyDelegate(object data);
  class Program
  {
    static void Main(string[] args)
    {
      MyDelegate mydelegate = new MyDelegate(TestMethod);
      IAsyncResult result = mydelegate.BeginInvoke("Thread Param", TestCallback, "Callback Param");

      //異步執(zhí)行完成
      string resultstr = mydelegate.EndInvoke(result);
    }

    //線(xiàn)程函數(shù)
    public static string TestMethod(object data)
    {
      string datastr = data as string;
      return datastr;
    }

    //異步回調(diào)函數(shù)
    public static void TestCallback(IAsyncResult data)
    {
      Console.WriteLine(data.AsyncState);
    }
  }

六、線(xiàn)程同步

1）原子操作（Interlocked）：幫助保護(hù)免受計(jì)劃程序切換上下文時(shí)某個(gè)線(xiàn)程正在更新可以由其他線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)的變量或者在單獨(dú)的處理器上同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)線(xiàn)程就可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。此類(lèi)的成員不會(huì)引發(fā)異常。

class Program
  {
    static int counter = 1;

    static void Main(string[] args)
    {
      Thread t1 = new Thread(new ThreadStart(F1));
      Thread t2 = new Thread(new ThreadStart(F2));

      t1.Start();
      t2.Start();

      t1.Join();
      t2.Join();

      System.Console.ReadKey();
    }

    static void F1()
    {
      for (int i = 0; i < 5; i++)
      {
        Interlocked.Increment(ref counter);
        System.Console.WriteLine("Counter++ {0}", counter);
        Thread.Sleep(10);
      }
    }

    static void F2()
    {
      for (int i = 0; i < 5; i++)
      {
        Interlocked.Decrement(ref counter);
        System.Console.WriteLine("Counter-- {0}", counter);
        Thread.Sleep(10);
      }
    }
  }

2）lock()語(yǔ)句：避免鎖定public類(lèi)型，否則實(shí)例將超出代碼控制的范圍，定義private對(duì)象來(lái)鎖定。而自定義類(lèi)推薦用私有的只讀靜態(tài)對(duì)象，比如：private static readonly object obj = new object();為什么要設(shè)置成只讀的呢？這時(shí)因?yàn)槿绻趌ock代碼段中改變obj的值，其它線(xiàn)程就暢通無(wú)阻了，因?yàn)榛コ怄i的對(duì)象變了，object.ReferenceEquals必然返回false。Array 類(lèi)型提供 SyncRoot。許多集合類(lèi)型也提供 SyncRoot。

3）Monitor實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程同步

通過(guò)Monitor.Enter() 和 Monitor.Exit()實(shí)現(xiàn)排它鎖的獲取和釋放，獲取之后獨(dú)占資源，不允許其他線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)。

還有一個(gè)TryEnter方法，請(qǐng)求不到資源時(shí)不會(huì)阻塞等待，可以設(shè)置超時(shí)時(shí)間，獲取不到直接返回false。

public void MonitorSomeThing()
    {
      try
      {
        Monitor.Enter(obj);
        dosomething();
      }
      catch(Exception ex)
      {
        
      }
      finally
      {
        Monitor.Exit(obj);
      }
    }

4）ReaderWriterLock

當(dāng)對(duì)資源操作讀多寫(xiě)少的時(shí)候，為了提高資源的利用率，讓讀操作鎖為共享鎖，多個(gè)線(xiàn)程可以并發(fā)讀取資源，而寫(xiě)操作為獨(dú)占鎖，只允許一個(gè)線(xiàn)程操作。

class SynchronizedCache 
  { 
    private ReaderWriterLockSlim cacheLock = new ReaderWriterLockSlim(); 
    private Dictionary<int, string> innerCache = new Dictionary<int, string>(); 
 
    public string Read(int key) 
    { 
      cacheLock.EnterReadLock(); 
      try 
      { 
        return innerCache[key]; 
      } 
      finally 
      { 
        cacheLock.ExitReaderLock(); 
      } 
    } 
 
    public void Add(int key, string value) 
    { 
      cacheLock.EnterWriteLock(); 
      try 
      { 
        innerCache.Add(key, value); 
      } 
      finally 
      { 
        cacheLock.ExitWriteLock(); 
      } 
    } 
 
    public bool AddWithTimeout(int key, string value, int timeout) 
    { 
      if (cacheLock.TryEnterWriteLock(timeout)) 
      { 
        try 
        { 
          innerCache.Add(key, value); 
        } 
        finally 
        { 
          cacheLock.ExitReaderLock(); 
        } 
        return true; 
      } 
      else 
      { 
        return false; 
      } 
    } 
 
    public AddOrUpdateStatus AddOrUpdate(int key, string value) 
    { 
      cacheLock.EnterUpgradeableReadLock(); 
      try 
      { 
        string result = null; 
        if (innerCache.TryGetValue(key, out result)) 
        { 
          if (result == value) 
          { 
            return AddOrUpdateStatus.Unchanged; 
          } 
          else 
          { 
            cacheLock.EnterWriteLock(); 
            try 
            { 
              innerCache[key] = value; 
            } 
            finally 
            { 
              cacheLock.ExitWriteLock(); 
            } 
            return AddOrUpdateStatus.Updated; 
          } 
        } 
        else 
        { 
          cacheLock.EnterWriteLock(); 
          try 
          { 
            innerCache.Add(key, value); 
          } 
          finally 
          { 
            cacheLock.ExitWriteLock(); 
          } 
          return AddOrUpdateStatus.Added; 
        } 
      } 
      finally 
      { 
        cacheLock.ExitUpgradeableReadLock(); 
      } 
    } 
 
    public void Delete(int key) 
    { 
      cacheLock.EnterWriteLock(); 
      try 
      { 
        innerCache.Remove(key); 
      } 
      finally 
      { 
        cacheLock.ExitWriteLock(); 
      } 
    } 
 
    public enum AddOrUpdateStatus 
    { 
      Added, 
      Updated, 
      Unchanged 
    }; 
  }

5）事件（Event）類(lèi)實(shí)現(xiàn)同步

事件類(lèi)有兩種狀態(tài)，終止?fàn)顟B(tài)和非終止?fàn)顟B(tài)，終止?fàn)顟B(tài)時(shí)調(diào)用WaitOne可以請(qǐng)求成功，通過(guò)Set將時(shí)間狀態(tài)設(shè)置為終止?fàn)顟B(tài)。

　1）.AutoResetEvent（自動(dòng)重置事件）

　2）.ManualResetEvent（手動(dòng)重置事件）

AutoResetEvent和ManualResetEvent這兩個(gè)類(lèi)經(jīng)常用到, 他們的用法很類(lèi)似，但也有區(qū)別。Set方法將信號(hào)置為發(fā)送狀態(tài)，Reset方法將信號(hào)置為不發(fā)送狀態(tài),WaitOne等待信號(hào)的發(fā)送。可以通過(guò)構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)值來(lái)決定其初始狀態(tài)，若為true則非阻塞狀態(tài)，為false為阻塞狀態(tài)。如果某個(gè)線(xiàn)程調(diào)用WaitOne方法,則當(dāng)信號(hào)處于發(fā)送狀態(tài)時(shí),該線(xiàn)程會(huì)得到信號(hào), 繼續(xù)向下執(zhí)行。其區(qū)別就在調(diào)用后,AutoResetEvent.WaitOne()每次只允許一個(gè)線(xiàn)程進(jìn)入,當(dāng)某個(gè)線(xiàn)程得到信號(hào)后,AutoResetEvent會(huì)自動(dòng)又將信號(hào)置為不發(fā)送狀態(tài),則其他調(diào)用WaitOne的線(xiàn)程只有繼續(xù)等待.也就是說(shuō),AutoResetEvent一次只喚醒一個(gè)線(xiàn)程;而ManualResetEvent則可以喚醒多個(gè)線(xiàn)程,因?yàn)楫?dāng)某個(gè)線(xiàn)程調(diào)用了ManualResetEvent.Set()方法后,其他調(diào)用WaitOne的線(xiàn)程獲得信號(hào)得以繼續(xù)執(zhí)行,而ManualResetEvent不會(huì)自動(dòng)將信號(hào)置為不發(fā)送。也就是說(shuō),除非手工調(diào)用了ManualResetEvent.Reset()方法,則ManualResetEvent將一直保持有信號(hào)狀態(tài),ManualResetEvent也就可以同時(shí)喚醒多個(gè)線(xiàn)程繼續(xù)執(zhí)行。

6）信號(hào)量（Semaphore）

信號(hào)量是由內(nèi)核對(duì)象維護(hù)的int變量，為0時(shí)，線(xiàn)程阻塞，大于0時(shí)解除阻塞，當(dāng)一個(gè)信號(hào)量上的等待線(xiàn)程解除阻塞后，信號(hào)量計(jì)數(shù)+1。

線(xiàn)程通過(guò)WaitOne將信號(hào)量減1，通過(guò)Release將信號(hào)量加1，使用很簡(jiǎn)單。

public Thread thrd;
    //創(chuàng)建一個(gè)可授權(quán)2個(gè)許可證的信號(hào)量，且初始值為2
    static Semaphore sem = new Semaphore(2, 2);
 
    public mythread(string name)
    {
      thrd = new Thread(this.run);
      thrd.Name = name;
      thrd.Start();
    }
    void run()
    {
      Console.WriteLine(thrd.Name + "正在等待一個(gè)許可證……");
      //申請(qǐng)一個(gè)許可證
      sem.WaitOne();
      Console.WriteLine(thrd.Name + "申請(qǐng)到許可證……");
      for (int i = 0; i < 4 ; i++)
      {
        Console.WriteLine(thrd.Name + "： " + i);
        Thread.Sleep(1000);
      }
      Console.WriteLine(thrd.Name + " 釋放許可證……");
      //釋放
      sem.Release();
    }
  }
 
  class mysemaphore
  {
    public static void Main()
    {
      mythread mythrd1 = new mythread("Thrd #1");
      mythread mythrd2 = new mythread("Thrd #2");
      mythread mythrd3 = new mythread("Thrd #3");
      mythread mythrd4 = new mythread("Thrd #4");
      mythrd1.thrd.Join();
      mythrd2.thrd.Join();
      mythrd3.thrd.Join();
      mythrd4.thrd.Join();
    }
  }

7）互斥體（Mutex）

獨(dú)占資源，可以把Mutex看作一個(gè)出租車(chē)，乘客看作線(xiàn)程。乘客首先等車(chē)，然后上車(chē)，最后下車(chē)。當(dāng)一個(gè)乘客在車(chē)上時(shí)，其他乘客就只有等他下車(chē)以后才可以上車(chē)。而線(xiàn)程與C# Mutex對(duì)象的關(guān)系也正是如此，線(xiàn)程使用Mutex.WaitOne()方法等待C# Mutex對(duì)象被釋放，如果它等待的C# Mutex對(duì)象被釋放了，它就自動(dòng)擁有這個(gè)對(duì)象，直到它調(diào)用Mutex.ReleaseMutex()方法釋放這個(gè)對(duì)象，而在此期間，其他想要獲取這個(gè)C# Mutex對(duì)象的線(xiàn)程都只有等待。

class Test
  {
    /// <summary>
    /// 應(yīng)用程序的主入口點(diǎn)。
    /// </summary>
    [STAThread]
    static void Main(string[] args)
    {
      bool flag = false;
      System.Threading.Mutex mutex = new System.Threading.Mutex(true, "Test", out flag);
      //第一個(gè)參數(shù):true--給調(diào)用線(xiàn)程賦予互斥體的初始所屬權(quán)
      //第一個(gè)參數(shù):互斥體的名稱(chēng)
      //第三個(gè)參數(shù):返回值,如果調(diào)用線(xiàn)程已被授予互斥體的初始所屬權(quán),則返回true
      if (flag)
      {
        Console.Write("Running");
      }
      else
      {
        Console.Write("Another is Running");
        System.Threading.Thread.Sleep(5000);//線(xiàn)程掛起5秒鐘
        Environment.Exit(1);//退出程序
      }
      Console.ReadLine();
    }
  }

8）跨進(jìn)程間的同步

通過(guò)設(shè)置同步對(duì)象的名稱(chēng)就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的同步，不同應(yīng)用程序通過(guò)同步對(duì)象的名稱(chēng)識(shí)別不同同步對(duì)象。

static void Main(string[] args)
    {
      string MutexName = "InterProcessSyncName";
      Mutex SyncNamed;   //聲明一個(gè)已命名的互斥對(duì)象
       try
      {
        SyncNamed = Mutex.OpenExisting(MutexName);    //如果此命名互斥對(duì)象已存在則請(qǐng)求打開(kāi)
      }
      catch (WaitHandleCannotBeOpenedException)
      {
        SyncNamed = new Mutex(false, MutexName);     //如果初次運(yùn)行沒(méi)有已命名的互斥對(duì)象則創(chuàng)建一個(gè)
      }
      Task MulTesk = new Task
        (
          () =>         //多任務(wù)并行計(jì)算中的匿名方法，用委托也可以
          {
            for (; ; )     //為了效果明顯而設(shè)計(jì)
            {
              Console.WriteLine("當(dāng)前進(jìn)程等待獲取互斥訪(fǎng)問(wèn)權(quán)......");
              SyncNamed.WaitOne();
              Console.WriteLine("獲取互斥訪(fǎng)問(wèn)權(quán)，訪(fǎng)問(wèn)資源完畢，按回車(chē)釋放互斥資料訪(fǎng)問(wèn)權(quán).");
              Console.ReadLine();
              SyncNamed.ReleaseMutex();
              Console.WriteLine("已釋放互斥訪(fǎng)問(wèn)權(quán)。");
            }
          }
        );
      MulTesk.Start();
      MulTesk.Wait();
    }

9）分布式的同步

可以使用redis任務(wù)隊(duì)列或者redis相關(guān)特性

Parallel.For(0, 1000000, i =>
 {
  Stopwatch sw1 = new Stopwatch();
   sw1.Start();

    if (redisHelper.GetRedisOperation().Lock(key))
       {
     var tt = int.Parse(redisHelper.GetRedisOperation().StringGet("calc"));

     tt++;

     redisHelper.GetRedisOperation().StringSet("calc", tt.ToString());

     redisHelper.GetRedisOperation().UnLock(key);
            }
            var v = sw1.ElapsedMilliseconds;
            if (v >= 10 * 1000)
            {
              Console.Write("f");
        }
      sw1.Stop();
 });

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