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詳解C#多線程編程之進程與線程

更新時間：2020年06月22日 08:59:18 作者：白煙染黑墨

這篇文章主要介紹了詳解C#多線程編程之進程與線程的的相關(guān)資料，文中講解非常細致，代碼幫助大家更好的理解和學(xué)習(xí)，感興趣的朋友可以了解下

一、進程

簡單來說，進程是對資源的抽象，是資源的容器，在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中，進程是資源分配的基本單位，而且是執(zhí)行的基本單位，進程支持并發(fā)執(zhí)行，因為每個進程有獨立的數(shù)據(jù)，獨立的堆棧空間。一個程序想要并發(fā)執(zhí)行，開多個進程即可。

Q1：在單核下，進程之間如何同時執(zhí)行？

首先要區(qū)分兩個概念——并發(fā)和并行

并發(fā)：并發(fā)是指在一段微小的時間段中，有多個程序代碼段被CPU執(zhí)行，宏觀上表現(xiàn)出來就是多個程序能”同時“執(zhí)行。
并行：并行是指在一個時間點，有多個程序段代碼被CPU執(zhí)行，它才是真正的同時執(zhí)行。

所以應(yīng)該說進程之間是并發(fā)執(zhí)行。對于CPU來講，它不知道進程的存在，CPU主要與寄存器打交道。有一些常用的寄存器，如程序計數(shù)器寄存器，這個寄存器存儲了將要執(zhí)行的指令的地址，這個寄存器的地址指向哪，CPU就去哪。還有一些堆棧寄存器和通用寄存器等等等，總之，這些數(shù)據(jù)構(gòu)成了一個程序的執(zhí)行環(huán)境，這個執(zhí)行環(huán)境就叫做”上下文（Context）“，進程之間切換本質(zhì)就是保存這些數(shù)據(jù)到內(nèi)存，術(shù)語叫做”保存現(xiàn)場“，然后恢復(fù)某個進程的執(zhí)行環(huán)境，也即是”恢復(fù)現(xiàn)場“，整個過程術(shù)語叫做“上下文切換”，具體點就是進程上下文切換，這就是進程之間能并發(fā)執(zhí)行的本質(zhì)——頻繁的切換進程上下文。這個功能是由操作系統(tǒng)提供的，是內(nèi)核態(tài)的，對應(yīng)用軟件開發(fā)人員透明。

二、線程

進程雖然支持并發(fā)，但是對并發(fā)不是很友好，不友好是指每開啟一個進程，都要重新分配一部分資源，而線程相對進程來說，創(chuàng)建線程的代價比創(chuàng)建進程要小，所以引入線程能更好的提高并發(fā)性。在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，進程變成了資源分配的基本單位，而線程變成了執(zhí)行的基本單位，每個線程都有獨立的堆?？臻g，同一個進程的所有線程共享代碼段和地址空間等共享資源。相應(yīng)的上下文切換從進程上下文切換變成了線程上下文切換。

三、為什么要引入進程和線程#

提高CPU利用率，在早期的單道批處理系統(tǒng)中，如果執(zhí)行中的代碼需要依賴與外部條件，將會導(dǎo)致CPU空閑，例如文件讀取，等待鍵盤信號輸入，這將浪費大量的CPU時間。引入多進程和線程可以解決CPU利用率低這個問題。
隔離程序之間的數(shù)據(jù)（每個進程都有單獨的地址空間），保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。
提高系統(tǒng)的響應(yīng)性和交互能力。

四、在C#中創(chuàng)建托管線程

1. Thread類

在.NET中，托管線程分為：

前臺線程
后臺線程

一個.Net程序中，至少要有一個前臺線程，所有前臺線程結(jié)束了，所有的后臺線程將會被公共語言運行時（CLR）強制銷毀，程序執(zhí)行結(jié)束。

如下將在控制臺程序中創(chuàng)建一個后臺線程

static void Main(string[] args)
{
   var t = new Thread(() =>
   {
     Thread.Sleep(1000);
     Console.WriteLine("執(zhí)行完畢");
   });
  t.IsBackground = true;
   t.Start();
}

主線程（默認是前臺線程）執(zhí)行完畢，程序直接退出。

2. 有什么問題

直接使用Thread類來進行多線程編程浪費資源（服務(wù)器端更加明顯）且不方便，舉個栗子。

假如我寫一個Web服務(wù)器程序，每個請求創(chuàng)建一個線程，那么每一次我都要new一個Thread對象，然后傳入處理HttpRequest的委托，處理完之后，線程將會被銷毀，這將會導(dǎo)致浪費大量CPU時間和內(nèi)存，在早期CPU性能不行和內(nèi)存資源珍貴的情況下這個缺點會被放大，在現(xiàn)在這個缺點不是很明顯，原因是硬件上來了。

不方便體現(xiàn)在哪呢？

無法直接獲取另一個線程內(nèi)未被捕捉的異常
無法直接獲取線程函數(shù)的返回值

public static void ThrowException()
{
   throw new Exception("發(fā)生異常");
}
static void Main(string[] args)
{
   var t = new Thread(() =>
   {
     Thread.Sleep(1000);
     ThrowException();
   });
  t.IsBackground = false;
   try
   {
     t.Start();
   }
   catch(Exception e)
   {
     Console.WriteLine(e.Message);
   }
}

上述代碼將會導(dǎo)致程序奔潰，如下圖。

要想直接獲取返回值和可以直接從主線程捕捉線程函數(shù)內(nèi)未捕捉的異常，我們可以這么做。

新建一個MyTask.cs文件，內(nèi)容如下

using System;
using System.Threading;
namespace ConsoleApp1
{
   public class MyTask
   {
     private Thread _thread;
     private Action _action;
     private Exception _innerException;
    public MyTask()
     {
    }
     public MyTask(Action action)
     {
       _action = action;
     }
     protected virtual void Excute()
     {
       try
       {
         _action();
       }
       catch(Exception e)
       {
         _innerException = e;
       }

     }
     public void Start()
     {
       if (_thread != null) throw new InvalidOperationException("任務(wù)已經(jīng)開始");
       _thread = new Thread(() => Excute());
       _thread.Start();
     }
     public void Start(Action action)
     {
       _action = action;
       if (_thread != null) throw new InvalidOperationException("任務(wù)已經(jīng)開始");
       _thread = new Thread(() => Excute());
       _thread.Start();
     }
    public void Wait()
     {
       _thread.Join();
       if (_innerException != null) throw _innerException;
     }
   }
  public class MyTask<T> : MyTask
   {
     private Func<T> _func { get; }
     private T _result;
     public T Result {

       private set => _result = value;
       get
       {
         base.Wait();
         return _result;
       }
     }
     public MyTask(Func<T> func)
     {
       _func = func;
     }
    public new void Start()
     {
       base.Start(() =>
       {
         Result = _func();
       });
     }
  }
}

簡單的包裝了一下（不要在意細節(jié)），我們便可以實現(xiàn)我們想要的效果。

測試代碼如下

public static void ThrowException()
{
   throw new Exception("發(fā)生異常");
}
public static void Test3()
{
   MyTask<string> myTask = new MyTask<string>(() =>
   {
     Thread.Sleep(1000);
     return "執(zhí)行完畢";
   });
  myTask.Start();
  try
   {
     Console.WriteLine(myTask.Result);
   }
   catch (Exception e)
   {
     Console.WriteLine(e.Message);
   }
}
public static void Test2()
{
   MyTask<string> myTask = new MyTask<string>(() =>
   {
     Thread.Sleep(1000);
     ThrowException();
     return "執(zhí)行完畢";
   });
  myTask.Start();
  try
   {
     Console.WriteLine(myTask.Result);
   }
   catch(Exception e)
   {
     Console.WriteLine(e.Message);
   }
}
public static void Test1()
{
   MyTask myTask = new MyTask(() =>
   {
     Thread.Sleep(1000);
     ThrowException();
   });
   myTask.Start();
  try
   {
     myTask.Wait();
   }
   catch (Exception e)
   {
     Console.WriteLine(e.Message);
   }
}
static void Main(string[] args)
{
   Test1();
   Test2();
   Test3();
}