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[ZT]C#的多线程机制探索(1)

2011年04月27日 ⁄ 综合 ⁄ 共 5266字 ⁄ 字号 评论关闭
注:本文中出现的代码均在.net Framework RC3环境中运行通过

  一.多线程的概念

Windows是一个多任务的系统,如果你使用的是windows 2000及其以上版本,你可以通过任务管理器查看当前系统运行的程序和进程。什么是进程呢?当一个程序开始运行时,它就是一个进程,进程所指包括运行中的程序和程序所使用到的内存和系统资源。而一个进程又是由多个线程所组成的,线程是程序中的一个执行流,每个线程都有自己的专有寄存器(栈指针、程序计数器等),但代码区是共享的,即不同的线程可以执行同样的函数。多线程是指程序中包含多个执行流,即在一个程序中可以同时运行多个不同的线程来执行不同的任务,也就是说允许单个程序创建多个并行执行的线程来完成各自的任务。浏览器就是一个很好的多线程的例子,在浏览器中你可以在下载JAVA小应用程序或图象的同时滚动页面,在访问新页面时,播放动画和声音,打印文件等。

多线程的好处在于可以提高CPU的利用率——任何一个程序员都不希望自己的程序很多时候没事可干,在多线程程序中,一个线程必须等待的时候,CPU可以运行其它的线程而不是等待,这样就大大提高了程序的效率。

然而我们也必须认识到线程本身可能影响系统性能的不利方面,以正确使用线程:

  • 线程也是程序,所以线程需要占用内存,线程越多占用内存也越多
  • 多线程需要协调和管理,所以需要CPU时间跟踪线程
  • 线程之间对共享资源的访问会相互影响,必须解决竞用共享资源的问题
  • 线程太多会导致控制太复杂,最终可能造成很多Bug

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!

本文将对C#编程中的多线程机制进行探讨,通过一些实例解决对线程的控制,多线程间通讯等问题。为了省去创建GUI那些繁琐的步骤,更清晰地逼近线程的本质,下面所有的程序都是控制台程序,程序最后的Console.ReadLine()是为了使程序中途停下来,以便看清楚执行过程中的输出。

好了,废话少说,让我们来体验一下多线程的C#吧!

  二.操纵一个线程

任何程序在执行时,至少有一个主线程,下面这段小程序可以给读者一个直观的印象:

//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:

System Thread's Status:Running

在这里,我们通过Thread类的静态属性CurrentThread获取了当前执行的线程,对其Name属性赋值“System Thread”,最后还输出了它的当前状态(ThreadState)。所谓静态属性,就是这个类所有对象所公有的属性,不管你创建了多少个这个类的实例,但是类的静态属性在内存中只有一个。很容易理解CurrentThread为什么是静态的——虽然有多个线程同时存在,但是在某一个时刻,CPU只能执行其中一个。

就像上面程序所演示的,我们通过Thread类来创建和控制线程。注意到程序的头部,我们使用了如下命名空间:

using System;
using System.Threading;


.net framework class library中,所有与多线程机制应用相关的类都是放在System.Threading命名空间中的。其中提供Thread类用于创建线程,ThreadPool类用于管理线程池等等,此外还提供解决了线程执行安排,死锁,线程间通讯等实际问题的机制。如果你想在你的应用程序中使用多线程,就必须包含这个类。Thread类有几个至关重要的方法,描述如下:

  • Start():启动线程
  • Sleep(int):静态方法,暂停当前线程指定的毫秒数
  • Abort():通常使用该方法来终止一个线程
  • Suspend():该方法并不终止未完成的线程,它仅仅挂起线程,以后还可恢复。
  • Resume():恢复被Suspend()方法挂起的线程的执行

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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。

打开你的VS.net,新建一个控制台应用程序(Console Application),下面这些代码将让你体味到完全控制一个线程的无穷乐趣!

//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AlphaSimple,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。

程序最后得到的结果将如下图:

 

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。

读者一定注意到了Thread.ThreadState这个属性,这个属性代表了线程运行时状态,在不同的情况下有不同的值,于是我们有时候可以通过对该值的判断来设计程序流程。ThreadState在各种情况下的可能取值如下:

  • Aborted:线程已停止
  • AbortRequested:线程的Thread.Abort()方法已被调用,但是线程还未停止
  • Background:线程在后台执行,与属性Thread.IsBackground有关
  • Running:线程正在正常运行
  • Stopped:线程已经被停止
  • StopRequested:线程正在被要求停止
  • Suspended:线程已经被挂起(此状态下,可以通过调用Resume()方法重新运行)
  • SuspendRequested:线程正在要求被挂起,但是未来得及响应
  • Unstarted:未调用Thread.Start()开始线程的运行
  • WaitSleepJoin:线程因为调用了Wait(),Sleep()Join()等方法处于封锁状态

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。

当线程之间争夺CPU时间时,CPU按照是线程的优先级给予服务的。在C#应用程序中,用户可以设定5个不同的优先级,由高到低分别是HighestAboveNormalNormalBelowNormalLowest,在创建线程时如果不指定优先级,那么系统默认为ThreadPriority.Normal。给一个线程指定优先级
,我们可以使用如下代码:

//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。

现在我们对怎样创建和控制一个线程已经有了一个初步的了解,下面我们将深入研究线程实现中比较典型的的问题,并且探讨其解决方法。

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