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一.多线程的概念
基于以上认识,我们可以一个比喻来加深理解。假设有一个公司,公司里有很多各司其职的职员,那么我们可以认为这个正常运作的公司就是一个进程,而公司里的职员就是线程。一个公司至少得有一个职员吧,同理,一个进程至少包含一个线程。在公司里,你可以一个职员干所有的事,但是效率很显然是高不起来的,一个人的公司也不可能做大;一个程序中也可以只用一个线程去做事,事实上,一些过时的语言如fortune,basic都是如此,但是象一个人的公司一样,效率很低,如果做大程序,效率更低——事实上现在几乎没有单线程的商业软件。公司的职员越多,老板就得发越多的薪水给他们,还得耗费大量精力去管理他们,协调他们之间的矛盾和利益;程序也是如此,线程越多耗费的资源也越多,需要CPU时间去跟踪线程,还得解决诸如死锁,同步等问题。总之,如果你不想你的公司被称为“皮包公司”,你就得多几个员工;如果你不想让你的程序显得稚气,就在你的程序里引入多线程吧! //SystemThread.cs
using System;
using System.Threading;
namespace ThreadTest
{
class RunIt
{
[STAThread]
static void Main(string[] args)
{
Thread.CurrentThread.Name="System Thread";//给当前线程起名为"System Thread"
Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name+"'Status:"+Thread.CurrentThread.ThreadState);
Console.ReadLine();
}
}
}
编译执行后你看到了什么?是的,程序将产生如下输出:
下面我们就动手来创建一个线程,使用Thread类创建线程时,只需提供线程入口即可。线程入口使程序知道该让这个线程干什么事,在C#中,线程入口是通过ThreadStart代理(delegate)来提供的,你可以把ThreadStart理解为一个函数指针,指向线程要执行的函数,当调用Thread.Start()方法后,线程就开始执行ThreadStart所代表或者说指向的函数。 //ThreadTest.cs
using System;
using System.Threading;
namespace ThreadTest
{
public class Alpha
{
public void Beta()
{
while (true)
{
Console.WriteLine("Alpha.Beta is running in its own thread.");
}
}
};
public class Simple
{
public static int Main()
{
Console.WriteLine("Thread Start/Stop/Join Sample");
Alpha oAlpha = new Alpha();
file://这里创建一个线程,使之执行Alpha类的Beta()方法
Thread oThread = new Thread(new ThreadStart(oAlpha.Beta));
oThread.Start();
while (!oThread.IsAlive);
Thread.Sleep(1);
oThread.Abort();
oThread.Join();
Console.WriteLine();
Console.WriteLine("Alpha.Beta has finished");
try
{
Console.WriteLine("Try to restart the Alpha.Beta thread");
oThread.Start();
}
catch (ThreadStateException)
{
Console.Write("ThreadStateException trying to restart Alpha.Beta. ");
Console.WriteLine("Expected since aborted threads cannot be restarted.");
Console.ReadLine();
}
return 0;
}
}
}
这段程序包含两个类Alpha和Simple,在创建线程oThread时我们用指向Alpha.Beta()方法的初始化了ThreadStart代理(delegate)对象,当我们创建的线程oThread调用oThread.Start()方法启动时,实际上程序运行的是Alpha.Beta()方法: Alpha oAlpha = new Alpha();
Thread oThread = new Thread(new ThreadStart(oAlpha.Beta));
oThread.Start();
然后在Main()函数的while循环中,我们使用静态方法Thread.Sleep()让主线程停了1ms,这段时间CPU转向执行线程oThread。然后我们试图用Thread.Abort()方法终止线程oThread,注意后面的oThread.Join(),Thread.Join()方法使主线程等待,直到oThread线程结束。你可以给Thread.Join()方法指定一个int型的参数作为等待的最长时间。之后,我们试图用Thread.Start()方法重新启动线程oThread,但是显然Abort()方法带来的后果是不可恢复的终止线程,所以最后程序会抛出ThreadStateException异常。
在这里我们要注意的是其它线程都是依附于Main()函数所在的线程的,Main()函数是C#程序的入口,起始线程可以称之为主线程,如果所有的前台线程都停止了,那么主线程可以终止,而所有的后台线程都将无条件终止。而所有的线程虽然在微观上是串行执行的,但是在宏观上你完全可以认为它们在并行执行。
上面提到了Background状态表示该线程在后台运行,那么后台运行的线程有什么特别的地方呢?其实后台线程跟前台线程只有一个区别,那就是后台线程不妨碍程序的终止。一旦一个进程所有的前台线程都终止后,CLR(通用语言运行环境)将通过调用任意一个存活中的后台进程的Abort()方法来彻底终止进程。 //设定优先级为最低
myThread.Priority=ThreadPriority.Lowest;
通过设定线程的优先级,我们可以安排一些相对重要的线程优先执行,例如对用户的响应等等。 lock(expression) statement_block
expression代表你希望跟踪的对象,通常是对象引用。一般地,如果你想保护一个类的实例,你可以使用this;如果你希望保护一个静态变量(如互斥代码段在一个静态方法内部),一般使用类名就可以了。而statement_block就是互斥段的代码,这段代码在一个时刻内只可能被一个线程执行。 //lock.cs
using System;
using System.Threading;
internal class Account
{
int balance;
Random r = new Random();
internal Account(int initial)
{
balance = initial;
}
internal int Withdraw(int amount)
{
if (balance < 0)
{
file://如果balance小于0则抛出异常
throw new Exception("Negative Balance");
}
//下面的代码保证在当前线程修改balance的值完成之前
//不会有其他线程也执行这段代码来修改balance的值
//因此,balance的值是不可能小于0的
lock (this)
{
Console.WriteLine("Current Thread:"+Thread.CurrentThread.Name);
file://如果没有lock关键字的保护,那么可能在执行完if的条件判断之后
file://另外一个线程却执行了balance=balance-amount修改了balance的值
file://而这个修改对这个线程是不可见的,所以可能导致这时if的条件已经不成立了
file://但是,这个线程却继续执行balance=balance-amount,所以导致balance可能小于0
if (balance >= amount)
{
Thread.Sleep(5);
balance = balance - amount;
return amount;
}
else
{
return 0; // transaction rejected
}
}
}
internal void DoTransactions()
{
for (int i = 0; i < 100; i++)
Withdraw(r.Next(-50, 100));
}
}
internal class Test
{
static internal Thread[] threads = new Thread[10];
public static void Main()
{
Account acc = new Account (0);
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
Thread t = new Thread(new ThreadStart(acc.DoTransactions));
threads[i] = t;
}
for (int i = 0; i < 10; i++)
threads[i].Name=i.ToString();
for (int i = 0; i < 10; i++)
threads[i].Start();
Console.ReadLine();
}
}
而多线程公用一个对象时,也会出现和公用代码类似的问题,这种问题就不应该使用lock关键字了,这里需要用到System.Threading中的一个类Monitor,我们可以称之为监视器,Monitor提供了使线程共享资源的方案。 ......
Queue oQueue=new Queue();
......
Monitor.Enter(oQueue);
......//现在oQueue对象只能被当前线程操纵了
Monitor.Exit(oQueue);//释放锁
如上所示,当一个线程调用Monitor.Enter()方法锁定一个对象时,这个对象就归它所有了,其它线程想要访问这个对象,只有等待它使用Monitor.Exit()方法释放锁。为了保证线程最终都能释放锁,你可以把Monitor.Exit()方法写在try-catch-finally结构中的finally代码块里。对于任何一个被Monitor锁定的对象,内存中都保存着与它相关的一些信息,其一是现在持有锁的线程的引用,其二是一个预备队列,队列中保存了已经准备好获取锁的线程,其三是一个等待队列,队列中保存着当前正在等待这个对象状态改变的队列的引用。当拥有对象锁的线程准备释放锁时,它使用Monitor.Pulse()方法通知等待队列中的第一个线程,于是该线程被转移到预备队列中,当对象锁被释放时,在预备队列中的线程可以立即获得对象锁。 using System;
using System.Threading;
首先,我们定义一个被操作的对象的类Cell,在这个类里,有两个方法:ReadFromCell()和WriteToCell。消费者线程将调用ReadFromCell()读取cellContents的内容并且显示出来,生产者进程将调用WriteToCell()方法向cellContents写入数据。 public class Cell
{
int cellContents; // Cell对象里边的内容
bool readerFlag = false; // 状态标志,为true时可以读取,为false则正在写入
public int ReadFromCell( )
{
lock(this) // Lock关键字保证了什么,请大家看前面对lock的介绍
{
if (!readerFlag)//如果现在不可读取
{
try
{
file://等待WriteToCell方法中调用Monitor.Pulse()方法
Monitor.Wait(this);
}
catch (SynchronizationLockException e)
{
Console.WriteLine(e);
}
catch (ThreadInterruptedException e)
{
Console.WriteLine(e);
}
}
Console.WriteLine("Consume: {0}",cellContents);
readerFlag = false; file://重置readerFlag标志,表示消费行为已经完成
Monitor.Pulse(this); file://通知WriteToCell()方法(该方法在另外一个线程中执行,等待中)
}
return cellContents;
}
public void WriteToCell(int n)
{
lock(this)
{
if (readerFlag)
{
try
{
Monitor.Wait(this);
}
catch (SynchronizationLockException e)
{
file://当同步方法(指Monitor类除Enter之外的方法)在非同步的代码区被调用
Console.WriteLine(e);
}
catch (ThreadInterruptedException e)
{
file://当线程在等待状态的时候中止
Console.WriteLine(e);
}
}
cellContents = n;
Console.WriteLine("Produce: {0}",cellContents);
readerFlag = true;
Monitor.Pulse(this); file://通知另外一个线程中正在等待的ReadFromCell()方法
}
}
}
下面定义生产者CellProd和消费者类CellCons,它们都只有一个方法ThreadRun(),以便在Main()函数中提供给线程的ThreadStart代理对象,作为线程的入口。 public class CellProd
{
Cell cell; // 被操作的Cell对象
int quantity = 1; // 生产者生产次数,初始化为1
public CellProd(Cell box, int request)
{
//构造函数
cell = box;
quantity = request;
}
public void ThreadRun( )
{
for(int looper=1; looper<=quantity; looper++)
cell.WriteToCell(looper); file://生产者向操作对象写入信息
}
}
public class CellCons
{
Cell cell;
int quantity = 1;
public CellCons(Cell box, int request)
{
cell = box;
quantity = request;
}
public void ThreadRun( )
{
int valReturned;
for(int looper=1; looper<=quantity; looper++)
valReturned=cell.ReadFromCell( );//消费者从操作对象中读取信息
}
}
然后在下面这个类MonitorSample的Main()函数中我们要做的就是创建两个线程分别作为生产者和消费者,使用CellProd.ThreadRun()方法和CellCons.ThreadRun()方法对同一个Cell对象进行操作。 public class MonitorSample
{
public static void Main(String[] args)
{
int result = 0; file://一个标志位,如果是0表示程序没有出错,如果是1表明有错误发生
Cell cell = new Cell( );
//下面使用cell初始化CellProd和CellCons两个类,生产和消费次数均为20次
CellProd prod = new CellProd(cell, 20);
CellCons cons = new CellCons(cell, 20);
Thread producer = new Thread(new ThreadStart(prod.ThreadRun));
Thread consumer = new Thread(new ThreadStart(cons.ThreadRun));
//生产者线程和消费者线程都已经被创建,但是没有开始执行
try
{
producer.Start( );
consumer.Start( );
producer.Join( );
consumer.Join( );
Console.ReadLine();
}
catch (ThreadStateException e)
{
file://当线程因为所处状态的原因而不能执行被请求的操作
Console.WriteLine(e);
result = 1;
}
catch (ThreadInterruptedException e)
{
file://当线程在等待状态的时候中止
Console.WriteLine(e);
result = 1;
}
//尽管Main()函数没有返回值,但下面这条语句可以向父进程返回执行结果
Environment.ExitCode = result;
}
}
大家可以看到,在上面的例程中,同步是通过等待Monitor.Pulse()来完成的。首先生产者生产了一个值,而同一时刻消费者处于等待状态,直到收到生产者的“脉冲(Pulse)”通知它生产已经完成,此后消费者进入消费状态,而生产者开始等待消费者完成操作后将调用Monitor.Pulese()发出的“脉冲”。它的执行结果很简单: Produce: 1 事实上,这个简单的例子已经帮助我们解决了多线程应用程序中可能出现的大问题,只要领悟了解决线程间冲突的基本方法,很容易把它应用到比较复杂的程序中去。
关于JOIN()的一点理解 Thread.Join()在MSDN中的解释很模糊:Blocks the calling thread until a thread terminates 有两个主要问题:1.什么是the calling thread? 2.什么是a thread?
首先来看一下有关的概念: 我们执行一个.exe文件实际上就是开启了一个进程,同时开启了至少一个线程, 但是真正干活的是线程,就好比一个Team有好几个人,但是真正干活的是人不是Team. 具体到代码来说,以Console Application为例:程序Test.exe从Main函数开始运行,实际上是有一个线程 在执行Main函数,我们称作MainThread.假如我们在Main函数中声明了一个Thread,称作NewThread,并且调用了 NewThread.Start()的方法,那么 MainThread在处理Main函数里面的代码时遇到NewThread.Start()时,就会 去调用NewThread. 基于上面的讨论,我们可以得出结论:在我们刚才的例子中the calling thread就是MainThread,而a thread 指的洽洽就是MainThread调用的NewThread线程。 现在回到MSDN的解释,我们可以这么翻译:当NewThread调用Join方法的时候,MainThread就被停止执行, 直到NewThread线程执行完毕。这样就好理解了吧O(∩_∩)O哈哈~
好了,前面分析完了,现在来看测试用例吧: using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
namespace Test
{
class TestThread
{
private static void ThreadFuncOne()
{
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name +" i = " + i);
}
Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + " has finished");
}
static void Main(string[] args)
{
Thread.CurrentThread.Name = "MainThread";
Thread newThread = new Thread(new ThreadStart(TestThread.ThreadFuncOne));
newThread.Name = "NewThread";
for (int j = 0; j < 20; j++)
{
if (j == 10)
{
newThread.Start();
newThread.Join();
}
else
{
Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + " j = " + j);
}
}
Console.Read();
}
}
}
下面是测试的结果:
结论:从测试中我们可以很清楚的看到MainThread在NewThread.Join被调用后被阻塞,直到NewThread 执行完毕才继续执行。
关于 Monitor.Wait()和Pulse()的知识 1.Monitor.Wait方法 2.Monitor.Pulse方法
简述: 共用同一lock对象两线程不能只调用Wait(),Wait这个方法反而放弃了锁的使用权,同时阻塞当前线程,线程就直接休眠(进入WaitSleepJoin状态),同时在主线程中Join这个work线程时,也就一直不能返回了。线程将一直阻塞。 让我们首先看看MSDN对Monitor.Wait的解释(链接见注释):
当一个线程尝试着lock一个同步对象的时候,该线程就在就绪队列中排队。一旦没人拥有该同步对象,就绪队列中的线程就可以占有该同步对象。这也是我们平时最经常用的lock方法。 class Program { staticvoid Main(string[] args) { new Thread(A).Start(); new Thread(B).Start(); new Thread(C).Start(); Console.ReadLine(); } staticobject lockObj = newobject(); staticvoid A() { lock (lockObj) //进入就绪队列 { Thread.Sleep(1000); Monitor.Pulse(lockObj); Monitor.Wait(lockObj); //自我流放到等待队列 } Console.WriteLine("A exit..."); } staticvoid B() { Thread.Sleep(500); lock (lockObj) //进入就绪队列 { Monitor.Pulse(lockObj); } Console.WriteLine("B exit..."); } staticvoid C() { Thread.Sleep(800); lock (lockObj) //进入就绪队列 { } Console.WriteLine("C exit..."); } }
从时间线上来分析: Assembly code
T 线程A ---0
lock( lockObj ) ---1
{
//... 线程B 线程C ---2
//... lock( lockObj ) lock( lockObj ) ---3
//... { { ---4
//... //... ---5
//... //... ---6
Monitor.Pulse //... ---7
Monitor.Wait //... ---8
//... Monitor.Pulse ---9
//... } } ---10
}
时间点0,假设线程A先得到了同步对象,它就登记到同步对象lockObj的“拥有者引用”中。时间点3,线程B和C要求拥有同步对象,他们将在“就绪队列”排队: |--(拥有锁的线程) A | 3 lockObj--|--(就绪队列) B,C | |--(等待队列) 时间点7,线程A用Pulse发出信号,允许第一个正在"等待队列"中的线程进入到”就绪队列“。但由于就绪队列是空的,什么事也没有发生。时间点8,线程A用Wait放弃同步对象,并把自己放入"等待队列"。B,C已经在就绪队列中,因此其中的一个得以获得同步对象(假定是B)。B成了同步 对象的拥有者。C现在还是候补委员,可以自动获得空缺。而A则被关在门外,不能自动获得空缺。 |--(拥有锁的线程) B | 8 lockObj--|--(就绪队列) C | |--(等待队列) A 时间点9,线程B用Pulse发出信号开门,第一个被关在门外的A被允许放入到就绪队列,现在C和A都成了候补委员,一旦同步对象空闲,都有机会得它。 |--(拥有锁的线程) B | 9 lockObj--|--(就绪队列) C,A | |--(等待队列) 时间点10,线程B退出Lock区块,同步对象闲置,就绪队列队列中的C或A就可以转正为拥有者(假设C得到了同步对象)。 |--(拥有锁的线程) C | 10 lockObj--|--(就绪队列) A | |--(等待队列) 随后C也退出Lock区块,同步对象闲置,A就重新得到了同步对象,并从Monitor.Wait中返回... 最终的执行结果就是: B exit... C exit... A exit...
由于Monitor.Wait的暂时放弃和Monitor.Pulse的开门机制,我们可以用Monitor来实现更丰富的同步机制,比如一个事件机(ManualResetEvent):
class MyManualEvent 我们看到了该玩具MyManualEvent实现了类库中的ManulaResetEvent的功能 |
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2022-08-17
2022-09-23
2022-08-13
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