C#ThreadPool类(线程池)

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CLR线程池并不会在CLR初始化时立即建立线程，而是在应用程序要创建线程来运行任务时，线程池才初始化一个线程。
线程池初始化时是没有线程的，线程池里的线程的初始化与其他线程一样，但是在完成任务以后，该线程不会自行销毁，而是以挂起的状态返回到线程池。直到应用程序再次向线程池发出请求时，线程池里挂起的线程就会再度激活执行任务。
这样既节省了建立线程所造成的性能损耗，也可以让多个任务反复重用同一线程，从而在应用程序生存期内节约大量开销。

通过CLR线程池所建立的线程总是默认为后台线程，优先级数为ThreadPriority.Normal。

CLR线程池分为工作者线程(workerThreads)与I/O线程(completionPortThreads)两种:

工作者线程是主要用作管理CLR内部对象的运作，通常用于计算密集的任务。
I/O(Input/Output)线程主要用于与外部系统交互信息，如输入输出，CPU仅需在任务开始的时候，将任务的参数传递给设备，然后启动硬件设备即可。等任务完成的时候，CPU收到一个通知，一般来说是一个硬件的中断信号，此时CPU继续后继的处理工作。在处理过程中，CPU是不必完全参与处理过程的，如果正在运行的线程不交出CPU的控制权，那么线程也只能处于等待状态，即使操作系统将当前的CPU调度给其他线程，此时线程所占用的空间还是被占用，而并没有CPU处理这个线程，可能出现线程资源浪费的问题。如果这是一个网络服务程序，每一个网络连接都使用一个线程管理，可能出现大量线程都在等待网络通信，随着网络连接的不断增加，处于等待状态的线程将会很消耗尽所有的内存资源。可以考虑使用线程池解决这个问题。

　　线程池的最大值一般默认为1000、2000。当大于此数目的请求时，将保持排队状态，直到线程池里有线程可用。

　　使用CLR线程池的工作者线程一般有两种方式：

通过ThreadPool.QueueUserWorkItem()方法；
通过委托；

　　要注意，不论是通过ThreadPool.QueueUserWorkItem()还是委托，调用的都是线程池里的线程。

通过以下两个方法可以读取和设置CLR线程池中工作者线程与I/O线程的最大线程数。

ThreadPool.GetMax(out in workerThreads,out int completionPortThreads)；
ThreadPool.SetMax(int workerThreads,int completionPortThreads)；

　　若想测试线程池中有多少线程正在投入使用，可以通过ThreadPool.GetAvailableThreads(out in workThreads,out int conoletionPortThreads)方法。

方法	说明
GetAvailableThreads	剩余空闲线程数
GetMaxThreads	最多可用线程数，所有大于此数目的请求将保持排队状态，直到线程池线程变为可用
GetMinThreads	检索线程池在新请求预测中维护的空闲线程数
QueueUserWorkItem	启动线程池里得一个线程(队列的方式，如线程池暂时没空闲线程，则进入队列排队)
SetMaxThreads	设置线程池中的最大线程数
SetMinThreads	设置线程池最少需要保留的线程数

我们可以使用线程池来解决上面的大部分问题，跟使用单个线程相比，使用线程池有如下优点：

1、缩短应用程序的响应时间。因为在线程池中有线程的线程处于等待分配任务状态（只要没有超过线程池的最大上限），无需创建线程。

2、不必管理和维护生存周期短暂的线程，不用在创建时为其分配资源，在其执行完任务之后释放资源。

3、线程池会根据当前系统特点对池内的线程进行优化处理。

总之使用线程池的作用就是减少创建和销毁线程的系统开销。在.NET中有一个线程的类ThreadPool，它提供了线程池的管理。

ThreadPool是一个静态类，它没有构造函数，对外提供的函数也全部是静态的。其中有一个QueueUserWorkItem方法，它有两种重载形式，如下：

public static bool QueueUserWorkItem(WaitCallback callBack):将方法排入队列以便执行。此方法在有线程池线程变得可用时执行。

public static bool QueueUserWorkItem(WaitCallback callBack,Object state):将方法排入队列以便执行，并指定包含该方法所用数据的对象。此方法在有线程池线程变得可用时执行。

QueueUserWorkItem方法中使用的的WaitCallback参数表示一个delegate，它的声明如下：

public delegate void WaitCallback(Object state)

如果需要传递任务信息可以利用WaitCallback中的state参数，类似于ParameterizedThreadStart委托。

下面是一个ThreadPool的例子，代码如下：

using System;
using System.Collections;
using System.ComponentModel;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;

namespace ConsoleApp1
{
    class ThreadPoolDemo
    {
        public ThreadPoolDemo()
        {
        }

        public void Work()
        {
            ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(CountProcess));
            ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(GetEnvironmentVariables));
        }
        /// <summary>  
        /// 统计当前正在运行的系统进程信息  
        /// </summary>  
        /// <param name="state"></param>  
        private void CountProcess(object state)
        {
            Process[] processes = Process.GetProcesses();
            foreach (Process p in processes)
            {
                try
                {
                    Console.WriteLine("进程信息:Id:{0},ProcessName:{1},StartTime:{2}", p.Id, p.ProcessName, p.StartTime);
                }
                catch (Win32Exception e)
                {
                    Console.WriteLine("ProcessName:{0}", p.ProcessName);
                }
                finally
                {
                }
            }
            Console.WriteLine("获取进程信息完毕。");
        }
        /// <summary>  
        /// 获取当前机器系统变量设置  
        /// </summary>  
        /// <param name="state"></param>  
        public void GetEnvironmentVariables(object state)
        {
            IDictionary list = System.Environment.GetEnvironmentVariables();
            foreach (DictionaryEntry item in list)
            {
                Console.WriteLine("系统变量信息:key={0},value={1}", item.Key, item.Value);
            }
            Console.WriteLine("获取系统变量信息完毕。");
        }
    }
}

ThreadPoolDemo

using System;
using System.Threading;

namespace ConsoleApp1
{

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ThreadPoolDemo tpd1 = new ThreadPoolDemo();
            tpd1.Work();
            Thread.Sleep(5000);
            Console.WriteLine("OK");
            Console.ReadLine();
        }
    }
}

Program

利用ThreadPool调用工作线程和IO线程的范例

using System;
using System.Collections;
using System.IO;
using System.Text;
using System.Threading;

namespace ConsoleApp1
{

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            // 设置线程池中处于活动的线程的最大数目
            // 设置线程池中工作者线程数量为1000，I/O线程数量为1000
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            Console.WriteLine("Main Thread: queue an asynchronous method");
            PrintMessage("Main Thread Start");

            // 把工作项添加到队列中，此时线程池会用工作者线程去执行回调方法            
            ThreadPool.QueueUserWorkItem(asyncMethod);
            asyncWriteFile();
            Console.Read();
        }

        // 方法必须匹配WaitCallback委托
        private static void asyncMethod(object state)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            PrintMessage("Asynchoronous Method");
            Console.WriteLine("Asynchoronous thread has worked ");
        }


        #region 异步读取文件模块
        private static void asyncReadFile()
        {
            byte[] byteData = new byte[1024];
            FileStream stream = new FileStream(@"D:\123.txt", FileMode.OpenOrCreate, FileAccess.ReadWrite, FileShare.ReadWrite, 1024, true);
            //把FileStream对象，byte[]对象，长度等有关数据绑定到FileDate对象中，以附带属性方式送到回调函数
            Hashtable ht = new Hashtable();
            ht.Add("Length", (int)stream.Length);
            ht.Add("Stream", stream);
            ht.Add("ByteData", byteData);

            //启动异步读取,倒数第二个参数是指定回调函数，倒数第一个参数是传入回调函数中的参数
            stream.BeginRead(byteData, 0, (int)ht["Length"], new AsyncCallback(Completed), ht);
            PrintMessage("asyncReadFile Method");
        }

        //实际参数就是回调函数
        static void Completed(IAsyncResult result)
        {
            Thread.Sleep(2000);
            PrintMessage("asyncReadFile Completed Method");
            //参数result实际上就是Hashtable对象，以FileStream.EndRead完成异步读取
            Hashtable ht = (Hashtable)result.AsyncState;
            FileStream stream = (FileStream)ht["Stream"];
            int length = stream.EndRead(result);
            stream.Close();
            string str = Encoding.UTF8.GetString(ht["ByteData"] as byte[]);
            Console.WriteLine(str);
            stream.Close();
        }
        #endregion

        #region 异步写入文件模块
        //异步写入模块
        private static void asyncWriteFile()
        {
            //文件名 文件创建方式 文件权限 文件进程共享 缓冲区大小为1024 是否启动异步I/O线程为true
            FileStream stream = new FileStream(@"D:\123.txt", FileMode.OpenOrCreate, FileAccess.ReadWrite, FileShare.ReadWrite, 1024, true);
            //这里要注意，如果写入的字符串很小，则.Net会使用辅助线程写，因为这样比较快
            byte[] bytes = Encoding.UTF8.GetBytes("你在他乡还好吗？");
            //异步写入开始，倒数第二个参数指定回调函数，最后一个参数将自身传到回调函数里，用于结束异步线程
            stream.BeginWrite(bytes, 0, (int)bytes.Length, new AsyncCallback(Callback), stream);
            PrintMessage("AsyncWriteFile Method");
        }

        static void Callback(IAsyncResult result)
        {
            //显示线程池现状
            Thread.Sleep(2000);
            PrintMessage("AsyncWriteFile Callback Method");
            //通过result.AsyncState再强制转换为FileStream就能够获取FileStream对象，用于结束异步写入
            FileStream stream = (FileStream)result.AsyncState;
            stream.EndWrite(result);
            stream.Flush();
            stream.Close();
            asyncReadFile();
        }
        #endregion

        // 打印线程池信息
        private static void PrintMessage(String data)
        {
            int workthreadnumber;
            int iothreadnumber;

            // 获得线程池中可用的线程，把获得的可用工作者线程数量赋给workthreadnumber变量
            // 获得的可用I/O线程数量给iothreadnumber变量
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out workthreadnumber, out iothreadnumber);

            Console.WriteLine("{0}\n CurrentThreadId is {1}\n CurrentThread is background :{2}\n WorkerThreadNumber is:{3}\n IOThreadNumbers is: {4}\n",
                data,
                Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
                Thread.CurrentThread.IsBackground.ToString(),
                workthreadnumber.ToString(),
                iothreadnumber.ToString());
        }
    }
}

Program

线程池中放入异步操作

using System;
using System.Threading;

namespace ConsoleApp1
{

    class Program
    {
        private static void AsyncOperation(object state)
        {
            Console.WriteLine("Operation state: {0}", state ?? "(null)");
            Console.WriteLine("Worker thread id: {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            const int x = 1;
            const int y = 2;
            const string lambdaState = "lambda state 2";

            ThreadPool.QueueUserWorkItem(AsyncOperation);
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            ThreadPool.QueueUserWorkItem(AsyncOperation, "async state");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

            ThreadPool.QueueUserWorkItem(state => {
                Console.WriteLine("Operation state: {0}", state);
                Console.WriteLine("Worker thread id: {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
            }, "lambda state");

            ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ =>
            {
                Console.WriteLine("Operation state: {0}, {1}", x + y, lambdaState);
                Console.WriteLine("Worker thread id: {0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
            }, "lambda state");

            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
        }
    }
}

Program

线程池同步操作

using System;
using System.Threading;

namespace ConsoleApp1
{
    class ThreadPoolDemo
    {
        static object lockobj = new object();
        static int Count = 0;
        ManualResetEvent manualEvent;
        public ThreadPoolDemo(ManualResetEvent manualEvent)
        {
            this.manualEvent = manualEvent;
        }
        public void DisplayNumber(object a)
        {

            lock (lockobj)
            {
                Count++;
                Console.WriteLine("当前运算结果:{0},Count={1},当前子线程id:{2} 的状态:{3}", a, Count, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, Thread.CurrentThread.ThreadState);
            }
            //Console.WriteLine("当前运算结果:{0}", a);
            //Console.WriteLine("当前运算结果:{0},当前子线程id:{1} 的状态:{2}", a,Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, Thread.CurrentThread.ThreadState);
            //这里是方法执行时间的模拟，如果注释该行代码，就能看出线程池的功能了
            Thread.Sleep(2000);
            //Console.WriteLine("当前运算结果:{0},Count={1},当前子线程id:{2} 的状态:{3}", a, Count, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, Thread.CurrentThread.ThreadState);
            //这里是释放共享锁，让其他线程进入
            manualEvent.Set();


        }
    }
}

ThreadPoolDemo

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;

namespace ConsoleApp1
{

    class Program
    {
        //设定任务数量 
        static int count = 10;
        static void Main(string[] args)
        {
            //让线程池执行5个任务所以也为每个任务加上这个对象保持同步
            ManualResetEvent[] events = new ManualResetEvent[count];
            Console.WriteLine("当前主线程id:{0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

            Stopwatch sw = new Stopwatch();
            sw.Start();
            NoThreadPool(count);
            sw.Stop();
            Console.WriteLine("Execution time using threads: {0}", sw.ElapsedMilliseconds);


            sw.Reset();
            sw.Start();
            //循环每个任务
            for (int i = 0; i < count; i++)
            {
                //实例化同步工具
                events[i] = new ManualResetEvent(false);
                //Test在这里就是任务类，将同步工具的引用传入能保证共享区内每次只有一个线程进入
                ThreadPoolDemo tst = new ThreadPoolDemo(events[i]);
                //Thread.Sleep(200);
                //将任务放入线程池中，让线程池中的线程执行该任务                 
                ThreadPool.QueueUserWorkItem(tst.DisplayNumber, i);
            }
            //注意这里，设定WaitAll是为了阻塞调用线程（主线程），让其余线程先执行完毕，
            //其中每个任务完成后调用其set()方法(收到信号),当所有
            //的任务都收到信号后，执行完毕，将控制权再次交回调用线程（这里的主线程）
            ManualResetEvent.WaitAll(events);
            sw.Stop();
            Console.WriteLine("Execution time using threads: {0}", sw.ElapsedMilliseconds);
            //Console.WriteLine("所有任务做完！");
            Console.ReadKey();
        }

        static void NoThreadPool(int count)
        {
            for (int i = 0; i < count; i++)
            {
                Thread.Sleep(2000);
                Console.WriteLine("当前运算结果:{0},Count={1},当前子线程id:{2} 的状态:{3}", i, i + 1, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, Thread.CurrentThread.ThreadState);
            }
        }

    }
}

Program

线程池中的取消操作

using System;
using System.Threading;

namespace ConsoleApp1
{

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            Console.WriteLine("Main thread run");
            PrintMessage("Start");
            Run();
            Console.ReadKey();
        }

        private static void Run()
        {
            CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();

            // 这里用Lambda表达式的方式和使用委托的效果一样的，只是用了Lambda后可以少定义一个方法。
            // 这在这里就是让大家明白怎么lambda表达式如何由委托转变的
            ////ThreadPool.QueueUserWorkItem(o => Count(cts.Token, 1000));
            ThreadPool.QueueUserWorkItem(callback, cts.Token);

            Console.WriteLine("Press Enter key to cancel the operation\n");
            Console.ReadLine();

            // 传达取消请求            
            cts.Cancel();
            Console.ReadLine();
        }

        private static void callback(object state)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            PrintMessage("Asynchoronous Method Start");
            CancellationToken token = (CancellationToken)state;
            Count(token, 1000);
        }

        // 执行的操作，当受到取消请求时停止数数
        private static void Count(CancellationToken token, int countto)
        {
            for (int i = 0; i < countto; i++)
            {
                if (token.IsCancellationRequested)
                {
                    Console.WriteLine("Count is canceled");
                    break;
                }

                Console.WriteLine(i);
                Thread.Sleep(300);
            }

            Console.WriteLine("Cout has done");
        }

        // 打印线程池信息
        private static void PrintMessage(String data)
        {
            int workthreadnumber;
            int iothreadnumber;

            // 获得线程池中可用的线程，把获得的可用工作者线程数量赋给workthreadnumber变量
            // 获得的可用I/O线程数量给iothreadnumber变量
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out workthreadnumber, out iothreadnumber);

            Console.WriteLine("{0}\n CurrentThreadId is {1}\n CurrentThread is background :{2}\n WorkerThreadNumber is:{3}\n IOThreadNumbers is: {4}\n",
                data,
                Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
                Thread.CurrentThread.IsBackground.ToString(),
                workthreadnumber.ToString(),
                iothreadnumber.ToString());
        }
    }
}

Program

Thread与ThreadPool的一个性能比较

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;

namespace ConsoleApp1
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            const int numberOfOperations = 300;
            var sw = new Stopwatch();
            sw.Start();
            UseThreads(numberOfOperations);
            sw.Stop();
            Console.WriteLine("Execution time using threads: {0}", sw.ElapsedMilliseconds);

            sw.Reset();
            sw.Start();
            UseThreadPool(numberOfOperations);
            sw.Stop();
            Console.WriteLine("Execution time using threadPool: {0}", sw.ElapsedMilliseconds);
        }

        static void UseThreads(int numberOfOperations)
        {
            using (var countdown = new CountdownEvent(numberOfOperations))
            {
                Console.WriteLine("Scheduling work by creating threads");
                for (int i = 0; i < numberOfOperations; i++)
                {
                    var thread = new Thread(() => {
                        Console.Write("{0},", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
                        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1));
                        countdown.Signal();
                    });
                    thread.Start();
                }
                countdown.Wait();
                Console.WriteLine();
            }
        }

        static void UseThreadPool(int numberOfOperations)
        {
            using (var countdown = new CountdownEvent(numberOfOperations))
            {
                Console.WriteLine("Starting work on a threadpool");
                for (int i = 0; i < numberOfOperations; i++)
                {
                    ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ => {
                        Console.Write("{0},", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
                        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1));
                        countdown.Signal();
                    });
                }
                countdown.Wait();
                Console.WriteLine();
            }
        }
    }
}