C#多线程编程实战指南

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简介：本教程以多线程编程在C#中的实际应用为核心，为初学者提供了一个理解并实践多线程的起点。介绍了C#中线程的基本概念、Thread类的使用、ThreadPool的线程池机制、Task Parallel Library (TPL)的高级并行编程能力以及async/await异步编程模式。同时，讲解了多线程编程中常见的同步问题和解决工具，例如Mutex、Semaphore、Monitor和lock关键字。最后，通过EventWaitHandle类的介绍，展示了线程间的通信方法。

1. C#多线程编程概念

在现代软件开发中，多线程编程已成为提高应用程序性能和响应能力的关键技术之一。C#语言通过其强大的框架和库，为我们提供了丰富的多线程编程工具和抽象。本章节将带领读者进入C#多线程编程的世界，介绍其基础概念和多线程编程的重要性。

1.1 多线程编程的核心价值

多线程编程允许在单个进程中同时执行多个任务，这对于需要处理多件事情的程序来说非常重要。比如，在一个UI应用程序中，主线程可以负责处理用户界面的响应，而工作线程可以负责进行计算密集型或I/O密集型的工作。这样不仅可以避免UI界面的冻结，还可以提升程序的总体性能。

1.2 多线程编程的挑战

尽管多线程编程带来了诸多好处，但它也伴随着新的挑战。最核心的挑战之一是线程同步问题。由于多个线程可能同时访问共享资源，因此必须采取措施以避免数据竞争和条件竞争等问题。接下来的章节会深入探讨这些挑战，并介绍如何使用C#提供的工具和机制来解决这些问题。

2. Thread类的使用和示例

2.1 Thread类基础

2.1.1 创建和启动线程

在C#中，创建和启动线程是多线程编程的基础。 Thread 类位于 System.Threading 命名空间下，用于表示一个线程。要创建一个线程，我们需要创建 Thread 类的一个实例，并将一个委托（通常是 ThreadStart 委托或者 ParameterizedThreadStart 委托）传递给它，该委托指定了线程启动时执行的代码。

下面是一个简单的例子，演示了如何创建并启动一个线程：

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    static void Main()
    {
        // 创建一个 ThreadStart 委托，指向要在线程上运行的方法
        ThreadStart threadDelegate = new ThreadStart(MyThreadMethod);
        // 创建 Thread 实例
        Thread myThread = new Thread(threadDelegate);
        // 启动线程
        myThread.Start();
        // 主线程继续执行
        Console.WriteLine("主线程继续执行");
        // 等待用户输入，防止主线程过早结束
        Console.ReadLine();
    }
    static void MyThreadMethod()
    {
        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            Console.WriteLine("线程ID：" + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + " : " + i);
            Thread.Sleep(1000); // 让线程休眠1秒
        }
    }
}

代码逻辑说明：

• ThreadStart 是一个无参数、无返回值的委托类型。如果需要在新线程上执行的代码接受参数，那么应该使用 ParameterizedThreadStart 委托。
• Thread.CurrentThread.ManagedThreadId 用于获取当前线程的ID，它可以帮助我们区分主线程和新启动的线程。
• Thread.Sleep(1000); 让当前线程暂停一秒钟。

2.1.2 线程的优先级设置

创建线程时可以为其设置优先级，线程优先级影响线程调度的优先顺序。在.NET中，线程优先级通过 Thread.Priority 属性来设置，它是一个 ThreadPriority 枚举，包括 Lowest 、 BelowNormal 、 Normal 、 AboveNormal 和 Highest 五个级别。

下面的代码片段展示了如何设置线程的优先级：

// 创建 Thread 实例，并设置优先级为 Highest
Thread myThread = new Thread(threadDelegate);
myThread.Priority = ThreadPriority.Highest;

2.1.3 线程同步基础

多线程编程中，线程同步是指让多个线程按特定顺序、协调运行。在C#中， Monitor 类提供了用于线程同步的基本构造，而 lock 关键字是 Monitor 类的简化用法。

下面的代码展示了使用 lock 关键字进行线程同步的一个例子：

class SharedResource
{
    private readonly object padlock = new object();
    private int count;

    public void Increment()
    {
        lock (padlock)
        {
            count++;
        }
    }

    public int Count
    {
        get { lock (padlock) { return count; } }
    }
}

逻辑说明：

• lock 关键字确保了当一个线程进入临界区（被 lock 包围的代码块）时，其他线程必须等待，直到第一个线程退出临界区。
• 在这个例子中， padlock 对象是一个同步锁，它被用作保护 count 字段，以防止多个线程同时修改它。

2.2 Thread类高级特性

2.2.1 线程状态管理

线程的状态指的是线程在运行周期内的不同阶段，例如：就绪（Ready）、运行（Running）、挂起（Suspended）、停止（Stopped）等。 Thread 类提供了一些方法和属性来管理线程状态，比如 Thread.Sleep() 、 Thread.Suspend() 和 Thread.Abort() 。

下面的代码展示了如何挂起和恢复线程：

Thread thread = new Thread(new ThreadStart(ThreadProc));

// 启动线程
thread.Start();
// 暂停当前线程3000毫秒
thread.Suspend();
// 恢复线程
thread.Resume();

// 等待线程结束
thread.Join();

void ThreadProc()
{
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        Console.WriteLine("ThreadProc threadId={0}, i={1}",
            Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, i);
        // 暂停当前线程1000毫秒
        Thread.Sleep(1000);
    }
}

2.2.2 线程的异常处理

在多线程环境下，线程可能会遇到异常。默认情况下，如果线程中的代码抛出异常且未被捕获，则该线程会终止。可以使用 Thread.TryCatchFinally 方法和 ThreadAbortException 来捕获和处理线程内的异常。

下面的代码演示了如何在启动线程前设置异常处理：

Thread thread = new Thread(new ThreadStart(ThreadProc));

// 设置异常处理
thread.Name = "My Thread";
thread.IsBackground = true;
thread.Start();

// 等待线程结束
thread.Join();

void ThreadProc()
{
    try
    {
        // 执行任务
        throw new Exception("An exception occurred");
    }
    catch (Exception ex)
    {
        // 处理异常
        Console.WriteLine("Exception in ThreadProc: {0}", ex);
    }
    finally
    {
        // 清理操作
    }
}

2.2.3 线程的取消和超时处理

线程可以通过调用 Thread.Abort() 方法来请求中断，但请注意，这种方法是不推荐使用的，因为它会抛出 ThreadAbortException 异常，而且它不是立即取消线程，而是由.NET运行时的线程终止机制在稍后的某个时间点处理。 Thread.Interrupt() 方法可以中断处于阻塞状态的线程。

对于需要超时处理的线程，可以使用 Thread.Join() 方法，并传入一个超时值。这个方法等待线程完成，或者等待超时时间结束。

// 设置超时时间为5秒
if (!thread.Join(TimeSpan.FromSeconds(5)))
{
    Console.WriteLine("Thread timed out.");
}
else
{
    Console.WriteLine("Thread completed.");
}

本章节重点介绍了 Thread 类的使用和示例，通过创建和启动线程、设置线程优先级、线程同步基础、线程状态管理、线程的异常处理以及线程的取消和超时处理等几个方面，展示了C#中多线程编程的基础和高级特性。理解这些基础和高级特性，对于开发安全、高效的多线程应用程序是必不可少的。

3. ThreadPool线程池机制

3.1 ThreadPool的基本使用

3.1.1 工作原理及好处

ThreadPool 是 .NET Framework 提供的一个用于管理线程池的类，它使得开发者无需手动创建和销毁线程，同时，它可以优化线程的复用和管理，从而提高应用程序的性能。线程池的核心机制是维护一组工作线程，这些线程在不同的任务之间复用，而不是每次请求都创建新的线程。

工作原理上，ThreadPool 会创建一定数量的工作线程，这些线程会被初始化在等待队列中。当一个任务到来时，ThreadPool 会将任务放入队列中，并通知一个可用的工作线程去执行这个任务。如果所有工作线程都处于忙碌状态，ThreadPool 可以根据配置和资源情况创建新的线程来处理任务，直到达到预设的最大线程数。当线程任务完成时，工作线程并不会销毁，而是返回到等待队列中等待下一个任务。

ThreadPool 的好处包括：

• 性能提升 ：通过复用线程，避免了频繁的线程创建和销毁的开销。
• 资源管理 ：简化了资源管理，减少了代码复杂度，开发者无需手动管理线程生命周期。
• 可扩展性 ：可以根据需求自动调整工作线程的数量，适应不同的负载情况。

3.1.2 基本用法示例

下面是一个使用 ThreadPool 的简单示例，演示了如何将一个任务提交到 ThreadPool 中执行：

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    static void Main()
    {
        // 提交一个任务到 ThreadPool
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(
            state => Console.WriteLine("Hello from ThreadPool!"));
        // 等待用户输入，防止程序直接退出
        Console.ReadLine();
    }
}

在上面的代码中，我们使用 QueueUserWorkItem 方法将一个委托提交到 ThreadPool 中执行。这个委托是一个匿名方法，它将在某个线程池线程中执行并打印一条消息。这是 ThreadPool 最基本的使用方式。

3.2 ThreadPool高级应用

3.2.1 工作项的排队和执行

ThreadPool 不仅可以执行单个任务，还可以通过 QueueUserWorkItem 方法排队多个任务。线程池负责调度这些任务到可用的工作线程上执行。工作项是作为状态对象传递给 QueueUserWorkItem 方法的，状态对象可以是任意对象，它将被传递给任务委托。

当工作项被排队时，线程池会根据可用工作线程的数量以及每个线程的工作负载来调度工作项。这个调度过程是线程池内部管理的，对开发者透明。但是，开发者需要理解的是，工作项的执行顺序和时机是不确定的。

3.2.2 自定义线程池

虽然 ThreadPool 提供了一个方便的方式来复用线程，但它并不是完全可定制的。在某些高级场景中，我们可能需要更细粒度的控制，例如自定义线程池的行为。为此，我们可以使用 ThreadPool.GetMinThreads 和 ThreadPool.SetMinThreads 方法来获取和设置线程池中最小线程数和最大线程数的限制。

int minThreads, maxThreads;
ThreadPool.GetMinThreads(out minThreads, out maxThreads);
Console.WriteLine($"Current min threads: {minThreads}, max threads: {maxThreads}");

// 设置新的线程数限制
ThreadPool.SetMinThreads(10, 10);

3.2.3 线程池线程的监控与管理

ThreadPool 提供了基本的线程池线程管理功能，比如上面提到的线程数限制。然而，更高级的监控和管理功能需要开发者自己实现。例如，我们可以使用 GetAvailableThreads 方法来获取当前可用的工作线程数。

int availableThreads;
ThreadPool.GetAvailableThreads(out availableThreads, out int _);
Console.WriteLine($"Available worker threads: {availableThreads}");

此外，我们可以实现自己的监控机制，例如，定期检查 ThreadPool 的线程使用情况，或者根据应用程序的需要动态调整线程池的参数。

现在我们已经讨论了 ThreadPool 的基本使用和一些高级应用。接下来的章节，我们将深入探讨 Task Parallel Library (TPL) 框架，它为并行编程提供了更加强大和灵活的工具集。

4. Task Parallel Library (TPL)框架

4.1 TPL框架概述

4.1.1 TPL的主要组件介绍

Task Parallel Library（TPL）是.NET Framework的一部分，专门设计用于简化多线程编程。TPL的核心组件包括：

• Task：代表异步操作的基本单元。与Thread相比，Task提供了更高级别的抽象，以及更好的资源管理。
• TaskFactory：用于创建和启动新的Task实例。
• TaskScheduler：负责调度任务到线程池或其他线程。
• Parallel：一个高级抽象，简化了并行循环和并行执行操作。
• PLINQ（并行LINQ）：在LINQ查询中引入并行处理功能。

TPL框架的引入大幅简化了并行编程模型，使得开发者能够更容易地编写高效、可扩展的并发代码。通过隐藏底层线程管理的复杂性，TPL使得并行化原本串行的任务变得简单。开发者可以专注于业务逻辑，而不是如何高效地管理线程。

4.1.2 并行任务与PLINQ的使用

并行任务是通过创建多个Task对象，并使用TaskScheduler来并行执行它们。Task对象是轻量级的，并且会自动分配给线程池中的线程，这使得管理线程的复杂性大大降低。

示例代码如下：

var tasks = new List<Task>();
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    int taskNumber = i;
    tasks.Add(Task.Factory.StartNew(() => {
        Console.WriteLine($"Task {taskNumber} is running.");
    }));
}

Task.WaitAll(tasks.ToArray());

上述代码创建并启动了10个并行任务，每个任务都在控制台上打印一条消息。

PLINQ是LINQ查询的并行版本，它能够在内部使用TPL自动并行化查询操作。使用PLINQ可以轻易地将数据集并行处理，从而提高性能。

示例代码如下：

int[] numbers = Enumerable.Range(1, 1000000).ToArray();
var parallelQuery = from n in numbers.AsParallel()
                    where n % 2 == 0
                    select n * 2;

foreach (var n in parallelQuery)
{
    Console.WriteLine(n);
}

在这个例子中，LINQ查询是并行执行的，这在处理大量数据时可以显著提高效率。

4.2 TPL编程实践

4.2.1 Task的创建和组合

创建和组合Task是TPL编程中非常重要的部分。Task的创建通常通过Task.Run或者Task.Factory.StartNew方法来完成。组合Task意味着需要在一组任务中创建依赖关系，或者等待一组任务全部完成。

示例代码展示如何创建一个Task并在完成后启动另一个Task：

Task firstTask = Task.Run(() => 
{
    // 执行一些工作...
    Console.WriteLine("First task is running");
});

Task secondTask = firstTask.ContinueWith(t => 
{
    Console.WriteLine("Second task is running after first task");
});

// 等待所有任务完成
Task.WaitAll(firstTask, secondTask);

在这个例子中， firstTask 首先运行，完成后 secondTask 开始执行。

4.2.2 异步编程模式的结合使用

TPL与async/await模式结合使用可以创建更加直观和流畅的异步程序。结合使用TPL和async/await模式可以允许开发者在异步方法中启动Task，并在Task完成后继续执行代码。

示例代码展示了如何使用TPL和async/await：

async Task AsynchronousWork()
{
    Task taskA = Task.Run(() => 
    {
        // 执行一些工作...
        Console.WriteLine("Task A is running");
    });

    Task taskB = Task.Run(() => 
    {
        // 执行一些工作...
        Console.WriteLine("Task B is running");
    });

    // 等待两个任务都完成
    await Task.WhenAll(taskA, taskB);
    Console.WriteLine("Both tasks are completed.");
}

await AsynchronousWork();

在这个例子中， AsynchronousWork 方法启动两个并行的Task，使用 Task.WhenAll 来等待两个任务全部完成。

4.2.3 TPL的异常处理和取消机制

异常处理在并行编程中尤其重要，因为有多个任务可能会同时失败。TPL提供了异常处理机制，可以在一个地方捕获和处理多个任务的异常。

示例代码展示了如何在Task组合中处理异常：

Task taskA = Task.Run(() => 
{
    throw new Exception("Task A exception");
});

Task taskB = Task.Run(() => 
{
    // 执行一些工作...
    Console.WriteLine("Task B is running");
});

try
{
    await Task.WhenAll(taskA, taskB);
}
catch (AggregateException ae)
{
    foreach (var ex in ae.InnerExceptions)
    {
        Console.WriteLine($"Caught exception: {ex.Message}");
    }
}

在这个例子中， taskA 抛出异常，使用 Task.WhenAll 时会捕获到这个异常。

TPL还支持取消机制，可以通过 CancellationTokenSource 类来取消正在执行的任务。当需要停止已经启动的任务时，这非常有用。

示例代码展示了如何取消一个任务：

CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
Task task = Task.Run(() =>
{
    for (int i = 0; i < 1000; i++)
    {
        if (cts.Token.IsCancellationRequested)
        {
            Console.WriteLine("Task cancelled");
            return;
        }
        // 执行一些工作...
    }
}, cts.Token);

// 在一些条件下触发取消请求
cts.Cancel();

// 等待任务完成
task.Wait();

在这个例子中， task 在运行时被取消。

通过这些示例和分析，我们可以看到TPL框架在简化.NET多线程编程方面提供了多么强大的工具和模式。TPL不仅提高了代码的并行性，还优化了资源利用，减轻了编程负担。随着多核处理器的普及，TPL成为了开发高性能应用程序不可或缺的一部分。

5. async/await异步编程模式

5.1 异步编程基本概念

5.1.1 同步与异步的区别

在传统的同步编程模型中，程序执行会按顺序一步一步地进行。一个操作必须在上一个操作完成后才能开始，这在处理耗时的I/O操作或长时间的计算时会导致程序“阻塞”，即直到操作完成之前，程序无法继续执行其他任务。而异步编程则允许程序在等待长时间操作完成的同时执行其他任务，提高了程序的响应性和效率。

异步操作通常通过“回调”来实现，即定义一个在异步操作完成后被调用的方法。这种方法虽然能够解决问题，但代码可读性和维护性较差，且容易导致“回调地狱”。

5.1.2 async和await关键字的使用

C# 5.0 引入了 async 和 await 关键字，它们的出现极大地简化了异步编程模型，使得编写和理解异步代码变得更加直观。

• 使用 async 修饰符定义一个异步方法。此方法可以包含 await 表达式。
• 使用 await 修饰符等待一个异步操作完成， await 后面跟随的表达式应该返回一个实现了 Task 或 Task<T> 的对象。

async 和 await 结合使用，可以在不阻塞主线程的情况下执行异步操作，同时让代码保持顺序的外观和感觉，这被称为“基于任务的异步模式”（TAP）。

public async Task<string> DownloadFileAsync(string url)
{
    using (HttpClient client = new HttpClient())
    {
        // 使用 await 等待耗时的 HTTP 请求完成
        var result = await client.GetAsync(url);
        // 读取响应内容
        return await result.Content.ReadAsStringAsync();
    }
}

在上面的代码示例中， DownloadFileAsync 是一个异步方法，它异步地获取给定URL的内容。调用此方法时，它不会阻塞调用者线程，直到操作完成。

5.2 异步编程高级技巧

5.2.1 异步方法的返回类型处理

异步方法通常返回 Task 或 Task<T> 类型，表示异步操作的结果。但在某些情况下，返回 void 也是有意义的，例如在事件处理器中。C# 7.0还引入了 ValueTask 和 ValueTask<T> ，它们对于返回小对象或避免装箱操作很有帮助。

5.2.2 异步上下文的捕获和传递

异步方法在不同的上下文（如UI线程、***请求上下文）中运行时，可能会需要访问原始上下文中的资源或保持特定的行为。使用 SynchronizationContext 类，可以在异步方法间捕获和传递上下文，确保线程安全地执行特定任务。

5.2.3 异步模式的性能考量

虽然异步编程提高了程序的响应性和资源利用率，但它也会引入额外的开销，如线程切换和上下文捕获。因此，在设计异步API时，需要进行性能考量，以避免不必要的异步调用和使用同步包装异步方法（Anti-Pattern）。

异步编程的另一个高级技巧是通过 CancellationTokenSource 和 CancellationToken 来处理取消请求，这在处理耗时操作时尤为重要。

public async Task ProcessItemsAsync(IEnumerable<Item> items, CancellationToken token)
{
    foreach (var item in items)
    {
        if (token.IsCancellationRequested)
        {
            // 处理取消请求
            break;
        }
        await ProcessItemAsync(item);
    }
}

以上是关于 async/await 异步编程模式的基础和高级技巧的介绍。通过理解和应用这些技巧，开发者可以创建更加高效和响应的异步应用程序。在后续章节中，我们将深入探讨多线程同步问题和解决工具，以及EventWaitHandle类在多线程间通信中的应用。

本文还有配套的精品资源，点击获取

简介：本教程以多线程编程在C#中的实际应用为核心，为初学者提供了一个理解并实践多线程的起点。介绍了C#中线程的基本概念、Thread类的使用、ThreadPool的线程池机制、Task Parallel Library (TPL)的高级并行编程能力以及async/await异步编程模式。同时，讲解了多线程编程中常见的同步问题和解决工具，例如Mutex、Semaphore、Monitor和lock关键字。最后，通过EventWaitHandle类的介绍，展示了线程间的通信方法。

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