C#多线程与并发设计

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#c# #java #jvm

于 2025-09-04 18:37:19 首次发布

C#多线程与并发设计

1. 基本概念

多线程：允许程序同时执行多个任务，提高CPU利用率
并发：多个操作在重叠时间段内执行，需解决资源竞争问题
关键挑战：
- 竞态条件（Race Conditions）
- 死锁（Deadlocks）
- 线程饥饿（Thread Starvation）

2. 核心实现方式

(1) Thread类（基础线程）

var thread = new Thread(() => {
    Console.WriteLine($"子线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
});
thread.Start();

(2) 线程池（高效资源管理）

ThreadPool.QueueUserWorkItem(state => {
    Console.WriteLine($"线程池线程ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
});

(3) Task Parallel Library (TPL)

Task.Run(() => {
    Console.WriteLine($"Task线程ID: {Task.CurrentId}");
});

3. 同步机制

// 锁机制示例
private static readonly object _lock = new object();
int sharedValue = 0;

void Increment() {
    lock (_lock) {
        sharedValue++;  // 线程安全操作
    }
}

同步工具	适用场景
`lock`/`Monitor`	临界区简单互斥访问
`Mutex`	跨进程同步
`SemaphoreSlim`	限制并发访问数量
`ReaderWriterLock`	读写分离场景

4. 异步编程模型（async/await）

async Task DownloadDataAsync() {
    using var client = new HttpClient();
    string data = await client.GetStringAsync("https://api.example.com");
    Console.WriteLine($"接收数据长度: {data.Length}");
}

5. 并发集合

var concurrentDict = new ConcurrentDictionary<int, string>();
concurrentDict.TryAdd(1, "Value1");  // 线程安全操作

var blockingColl = new BlockingCollection<int>();
blockingColl.Add(42);  // 生产者-消费者模型

6. 最佳实践

避免共享状态：优先使用局部变量
最小化锁范围：锁内代码尽可能简短

使用取消令牌：

var cts = new CancellationTokenSource();
Task.Run(() => { /* ... */ }, cts.Token);
cts.Cancel();  // 请求取消任务

异常处理：在任务内捕获异常

Task.Run(() => {
    try { /* 可能出错的代码 */ }
    catch (Exception ex) { /* 处理异常 */ }
});

7. 调试工具

Visual Studio并行堆栈视图
ConcurrentVisualizer扩展
日志记录关键线程事件

关键原则：优先使用高级抽象（如TPL和async/await），仅在必要时使用底层线程操作。并发设计应遵循"尽可能无锁，必要时正确加锁"的准则，平衡性能与安全性。