引言
随着双核四核等多核处理器的推广多核处理器或超线程单核处理器的计算机已很常见基于多核处理的编程技术也开始受到程序员们普遍关注这其中一个重要的方面就是构建多线程应用程序（因为不使用多线程的话开发人员就不能充分发挥多核计算机的强大性能）
本文针对的是构建基于单核计算机的多线程应用程序目的在于介绍多线程相关的基本概念内涵以及如何通过SystemThreading命名空间的类委托和BackgroundWorker组件等三种手段构建多线程应用程序
本文如果能为刚接触多线程的朋友起到抛砖引玉的作用也就心满意足了当然本人才疏学浅文中难免会有不足或错误的地方恳请各位朋友多多指点
理解多线程
我们通常理解的应用程序就是一个*exe文件当运行*exe应用程序以后系统会在内存中为该程序分配一定的空间同时加载一些该程序所需的资源其实这就可以称为创建了一个进程可以通过Windows任务管理器查看这个进程的相关信息如映像名称用户名内存使用PID（唯一的进程标示）等如图下所示
而线程则只是进程中的一个基本执行单元一个应用程序往往只有一个程序入口如
[STAThread]
static void Main() //应用程序主入口点
{
ApplicationEnableVisualStyles();
ApplicationSetCompatibleTextRenderingDefault(false);
ApplicationRun(new MainForm());
}
进程会包含一个进入此入口的线程我们称之为主线程其中特性 [STAThread] 指示应用程序的默认线程模型是单线程单元（相关信息可参考us/library/systemstathreadattribute(VS)aspx）只包含一个主线程的进程是线程安全的相当于程序仅有一条工作线只有完成了前面的任务才能执行排在后面的任务
然当在程序处理一个很耗时的任务如输出一个大的文件或远程访问数据库等此时的窗体界面程序对用户而言基本像是没反应一样菜单按钮等都用不了因为窗体上控件的响应事件也是需要主线程来执行的而主线程正忙着干其他的事控件响应事件就只能排队等着主线程忙完了再执行
为了克服单线程的这个缺陷Win API可以让主线程再创建其他的次线程但不论是主线程还是次线程都是进程中独立的执行单元可以同时访问共享的数据这样就有了多线程这个概念
相信到这应该对多线程有个比较感性的认识了但笔者在这要提醒一下基于单核计算机的多线程其实只是操作系统施展的一个障眼法而已（但这不会干扰我们理解构建多线程应用程序的思路）他并不能缩短完成所有任务的时间有时反而还会因为使用过多的线程而降低性能延长时间之所以这样是因为对于单CPU而言在一个单位时间（也称时间片）内只能执行一个线程即只能干一件事当一个线程的时间片用完时系统会将该线程挂起下一个时间内再执行另一个线程如此CPU以时间片为间隔在多个线程之间交替执行运算（其实这里还与每个线程的优先级有关级别高的会优先处理）由于交替时间间隔很短所以造成了各个线程都在同时工作的假象而如果线程数目过多由于系统挂起线程时要记录线程当前的状态数据等这样又势必会降低程序的整体性能但对于这些多核计算机就能从本质上（真正的同时工作）提高程序的执行效率
线程异步与线程同步
从线程执行任务的方式上可以分为线程同步和线程异步而为了方便理解后面描述中用同步线程指代与线程同步相关的线程同样用异步线程表示与线程异步相关的线程
线程异步就是解决类似前面提到的执行耗时任务时界面控件不能使用的问题如创建一个次线程去专门执行耗时的任务而其他如界面控件响应这样的任务交给另一个线程执行（往往由主线程执行）这样两个线程之间通过线程调度器短时间（时间片）内的切换就模拟出多个任务同时被执行的效果
线程异步往往是通过创建多个线程执行多个任务多个工作线同时开工类似多辆在宽广的公路上并行的汽车同时前进互不干扰（读者要明白本质上并没有同时仅仅是操作系统玩的一个障眼法但这个障眼法却对提高我们的程序与用户之间的交互以及提高程序的友好性很有用不是吗）
在介绍线程同步之前先介绍一个与此紧密相关的概念——并发问题
前面提到线程都是独立的执行单元可以访问共享的数据也就是说在一个拥有多个次线程的程序中每个线程都可以访问同一个共享的数据再稍加思考你会发现这样可能会出问题由于线程调度器会随机的挂起某一个线程（前面介绍的线程间的切换）所以当线程a对共享数据D的访问（修改删除等操作）完成之前被挂起而此时线程b又恰好去访问数据D那么线程b访问的则是一个不稳定的数据这样就会产生非常难以发现bug由于是随机发生的产生的结果是不可预测的这样样的bug也都很难重现和调试这就是并发问题
为了解决多线程共同访问一个共享资源（也称互斥访问）时产生的并发问题线程同步就应运而生了线程同步的机理简单的说就是防止多个线程同时访问某个共享的资源做法很简单标记访问某共享资源的那部分代码当程序运行到有标记的地方时CLR（具体是什么可以先不管只要知道它能控制就行）对各线程进行调整如果已有线程在访问一资源CLR就会将其他访问这一资源的线程挂起直到前一线程结束对该资源的访问这样就保证了同一时间只有一个线程访问该资源打个比方就如某资源放在只有一独木桥相连的孤岛上如果要使用该资源大家就得排队一个一个来前面的回来了下一个再去前面的没回来后面的就原地待命
这里只是把基本的概念及原理做了一个简单的阐述不至于看后面的程序时糊里糊涂的具体如何编写代码下面的段落将做详细介绍
创建多线程应用程序
这里做一个简单的说明下面主要通过介绍通过SystemThreading命名空间的类委托和BackgroundWorker组件三种不同的手段构建多线程应用程序具体会从线程异步和线程同步两个方面来阐述
通过SystemThreading命名空间的类构建
在NET平台下SystemThreading命名空间提供了许多类型来构建多线程应用程序可以说是专为多线程服务的由于本文仅是想起到一个抛砖引玉的作用所以对于这一块不会探讨过多过深主要使用SystemThreadingThread类
先从SystemThreadingThread类本身相关的一个小例子说起代码如下解释见注释
using System;
using SystemThreading; //引入SystemThreading命名空间
namespace MultiThread
{
class Class
{
static void Main(string[] args)
{
ConsoleWriteLine(************** 显示当前线程的相关信息 *************);
//声明线程变量并赋值为当前线程
Thread primaryThread = ThreadCurrentThread;
//赋值线程的名称
primaryThreadName = 主线程;
//显示线程的相关信息
ConsoleWriteLine(线程的名字{} primaryThreadName);
ConsoleWriteLine(线程是否启动？ {} primaryThreadIsAlive);
ConsoleWriteLine(线程的优先级 {} primaryThreadPriority);
ConsoleWriteLine(线程的状态 {} primaryThreadThreadState);
ConsoleReadLine();
}
}
}
输出结果如下
************** 显示当前线程的相关信息 *************
线程的名字主线程
线程是否启动？ True
线程的优先级 Normal
线程的状态 Running
对于上面的代码不想做过多解释只说一下ThreadCurrentThread得到的是执行当前代码的线程
异步调用线程
这里先说一下前台线程与后台线程前台线程能阻止应用程序的终止既直到所有前台线程终止后才会彻底关闭应用程序而对后台线程而言当所有前台线程终止时后台线程会被自动终止不论后台线程是否正在执行任务默认情况下通过ThreadStart()方法创建的线程都自动为前台线程把线程的属性IsBackground设为true时就将线程转为后台线程
下面先看一个例子该例子创建一个次线程执行打印数字的任务而主线程则干其他的事两者同时进行互不干扰
using System;
using SystemThreading;
using SystemWindowsForms;
namespace MultiThread
{
class Class
{
static void Main(string[] args)
{
ConsoleWriteLine(************* 两个线程同时工作 *****************);
//主线程因为获得的是当前在执行Main()的线程
Thread primaryThread = ThreadCurrentThread;
primaryThreadName = 主线程;
ConsoleWriteLine(> {} 在执行主函数 Main() ThreadCurrentThreadName);
//次线程该线程指向PrintNumbers()方法
Thread SecondThread = new Thread(new ThreadStart(PrintNumbers));
SecondThreadName = 次线程;
//次线程开始执行指向的方法
SecondThreadStart();
//同时主线程在执行主函数中的其他任务
MessageBoxShow(正在执行主函数中的任务 主线程在工作);
ConsoleReadLine();
}
//打印数字的方法
static void PrintNumbers()
{
ConsoleWriteLine(> {} 在执行打印数字函数 PrintNumber() ThreadCurrentThreadName);
ConsoleWriteLine(打印数字 );
for (int i = ; i < ; i++)
{
ConsoleWrite({} i);
//Sleep()方法使当前线程挂等待指定的时长在执行这里主要是模仿打印任务
ThreadSleep();
}
ConsoleWriteLine();
}
}
}
程序运行后会看到一个窗口弹出如图所示同时控制台窗口也在不断的显示数字
输出结果为
************* 两个线程同时工作 *****************
> 主线程 在执行主函数 Main()
> 次线程 在执行打印数字函数 PrintNumber()
打印数字
这里稍微对 Thread SecondThread = new Thread(new ThreadStart(PrintNumbers)); 这一句做个解释其实 ThreadStart 是 SystemThreading 命名空间下的一个委托其声明是 public delegate void ThreadStart()指向不带参数返回值为空的方法所以当使用 ThreadStart 时对应的线程就只能调用不带参数返回值为空的方法那非要指向含参数的方法呢？在SystemThreading命名空间下还有一个ParameterizedThreadStart 委托其声明是 public delegate void ParameterizedThreadStart(object obj)可以指向含 object 类型参数的方法这里不要忘了 object 可是所有类型的父类哦有了它就可以通过创建各种自定义类型如结构类等传递很多参数了这里就不再举例说明了
并发问题
这里再通过一个例子让大家切实体会一下前面说到的并发问题然后再介绍线程同步
using System;
using SystemThreading;
namespace MultiThread
{
class Class
{
static void Main(string[] args)
{
ConsoleWriteLine(********* 并发问题演示 ***************);
//创建一个打印对象实例
Printer printer = new Printer();
//声明一含个线程对象的数组
Thread[] threads = new Thread[];
for (int i = ; i < ; i++)
{
//将每一个线程都指向printer的PrintNumbers()方法
threads[i] = new Thread(new ThreadStart(printerPrintNumbers));
//给每一个线程编号
threads[i]Name = iToString() +号线程;
}
//开始执行所有线程
foreach (Thread t in threads)
tStart();
ConsoleReadLine();
}
}
//打印类
public class Printer
{
//打印数字的方法
public void PrintNumbers()
{
ConsoleWriteLine(> {} 正在执行打印任务开始打印数字 ThreadCurrentThreadName);
for (int i = ; i < ; i++)
{
Random r = new Random();
//为了增加沖突的几率及使各线程各自等待随机的时长
ThreadSleep( * rNext());
//打印数字
ConsoleWrite({} i);
}
ConsoleWriteLine();
}
}
}
上面的例子中主线程产生的个线程同时访问同一个对象实例printer的方法PrintNumbers()由于没有锁定共享资源（注意这里是指控制台）所以在PrintNumbers()输出到控制台之前调用PrintNumbers()的线程很可能被挂起但不知道什么时候（或是否有）挂起导致得到不可预测的结果如下是两个不同的结果（当然读者的运行结果可能会是其他情形）
情形一
情形二
线程同步
线程同步的访问方式也称为阻塞调用即没有执行完任务不返回线程被挂起可以使用C#中的lock关键字在此关键字范围类的代码都将是线程安全的lock关键字需定义一个标记线程进入锁定范围是必须获得这个标记当锁定的是一个实例级对象的私有方法时使用方法本身所在对象的引用就可以了将上面例子中的打印类Printer稍做改动添加lock关键字代码如下
//打印类
public class Printer
{
public void PrintNumbers()
{
//使用lock关键字锁定d的代码是线程安全的
lock (this)
{
ConsoleWriteLine(> {} 正在执行打印任务开始打印数字 ThreadCurrentThreadName);
for (int i = ; i < ; i++)
{
Random r = new Random();
//为了增加沖突的几率及使各线程各自等待随机的时长
ThreadSleep( * rNext());
//打印数字
ConsoleWrite({} i);
}
ConsoleWriteLine();
}
}
}
}
同步后执行结果如下
也可以使用SystemThreading命名空间下的Monitor类进行同步两者内涵是一样的但Monitor类更灵活这里就不在做过多的探讨代码如下
//打印类
public class Printer
{
public void PrintNumbers()
{
MonitorEnter(this);
try
{
ConsoleWriteLine(> {} 正在执行打印任务开始打印数字 ThreadCurrentThreadName);
for (int i = ; i < ; i++)
{
Random r = new Random();
//为了增加沖突的几率及使各线程各自等待随机的时长
ThreadSleep( * rNext());
//打印数字
ConsoleWrite({} i);
}
ConsoleWriteLine();
}
finally
{
MonitorExit(this);
}
}
}
输出结果与上面的一样
通过委托构建多线程应用程序
在看下面的内容时要求对委托有一定的了解如果不清楚的话推荐参考一下博客园张子阳的《C# 中的委托和事件》里面对委托与事件进行由浅入深的较系统的讲解
这里先举一个关于委托的简单例子具体解说见注释
using System;
namespace MultiThread
{
//定义一个指向包含两个int型参数返回值为int型的函数的委托
public delegate int AddOp(int x int y);
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
//创建一个指向Add()方法的AddOp对象p
AddOp pAddOp = new AddOp(Add);
//使用委托间接调用方法Add()
ConsoleWriteLine( + = {} pAddOp( ));
ConsoleReadLine();
}
//求和的函数
static int Add(int x int y)
{
int sum = x + y;
return sum;
}
}
}
运行结果为
+ =
线程异步
先说明一下这里不打算讲解委托线程异步或同步的参数传递获取返回值等只是做个一般性的开头而已如果后面有时间了再另外写一篇关于多线程中参数传递获取返回值的文章
注意观察上面的例子会发现直接使用委托实例 pAddOp( ) 就调用了求和方法 Add()很明显这个方法是由主线程执行的然而委托类型中还有另外两个方法——BeginInvoke()和EndInvoke()下面通过具体的例子来说明将上面的例子做适当改动如下
using System;
using SystemThreading;
using SystemRuntimeRemotingMessaging;
namespace MultiThread
{
//声明指向含两个int型参数返回值为int型的函数的委托
public delegate int AddOp(int x int y);
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
ConsoleWriteLine(******* 委托异步线程 两个线程同时工作 *********);
//显示主线程的唯一标示
ConsoleWriteLine(调用Main()的主线程的线程ID是{} ThreadCurrentThreadManagedThreadId);
//将委托实例指向Add()方法
AddOp pAddOp = new AddOp(Add);
//开始委托次线程调用委托BeginInvoke()方法返回的类型是IAsyncResult
//包含这委托指向方法结束返回的值同时也是EndInvoke()方法参数
IAsyncResult iftAR = pAddOpBeginInvoke( null null);
ConsoleWriteLine(nMain()方法中执行其他任务n);
int sum = pAddOpEndInvoke(iftAR);
ConsoleWriteLine( + = {} sum);
ConsoleReadLine();
}
//求和方法
static int Add(int x int y)
{
//指示调用该方法的线程IDManagedThreadId是线程的唯一标示
ConsoleWriteLine(调用求和方法 Add()的线程ID是 {} ThreadCurrentThreadManagedThreadId);
//模拟一个过程停留秒
ThreadSleep();
int sum = x + y;
return sum;
}
}
}
运行结果如下
******* 委托异步线程 两个线程同时工作 *********
调用Main()的主线程的线程ID是
Main()方法中执行其他任务
调用求和方法 Add()的线程ID是
+ =
线程同步
委托中的线程同步主要涉及到上面使用的pAddOpBeginInvoke( null null)方法中后面两个为null的参数具体的可以参考相关资料这里代码如下解释见代码注释
using System;
using SystemThreading;
using SystemRuntimeRemotingMessaging;
namespace MultiThread
{
//声明指向含两个int型参数返回值为int型的函数的委托
public delegate int AddOp(int x int y);
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
ConsoleWriteLine(******* 线程同步阻塞调用两个线程工作 *********);
ConsoleWriteLine(Main() invokee on thread {} ThreadCurrentThreadManagedThreadId);
//将委托实例指向Add()方法
AddOp pAddOp = new AddOp(Add);
IAsyncResult iftAR = pAddOpBeginInvoke( null null);
//判断委托线程是否执行完任务
//没有完成的话主线程就做其他的事
while (!iftARIsCompleted)
{
ConsoleWriteLine(Main()方法工作中);
ThreadSleep();
}
//获得返回值
int answer = pAddOpEndInvoke(iftAR);
ConsoleWriteLine( + = {} answer);
ConsoleReadLine();
}
//求和方法
static int Add(int x int y)
{
//指示调用该方法的线程IDManagedThreadId是线程的唯一标示
ConsoleWriteLine(调用求和方法 Add()的线程ID是 {} ThreadCurrentThreadManagedThreadId);
//模拟一个过程停留秒
ThreadSleep();
int sum = x + y;
return sum;
}
}
}
运行结果如下
******* 线程同步阻塞调用两个线程工作 *********
Main() invokee on thread
Main()方法工作中
调用求和方法 Add()的线程ID是
Main()方法工作中
Main()方法工作中
Main()方法工作中
Main()方法工作中
+ =
BackgroundWorker组件
BackgroundWorker组件位于工具箱中用于方便的创建线程异步的程序新建一个WindowsForms应用程序界面如下
代码如下解释参见注释
private void button_Click(object sender EventArgs e)
{
try
{
//获得输入的数字
int numOne = intParse(thistextBoxText);
int numTwo = intParse(thistextBoxText);
//实例化参数类
AddParams args = new AddParams(numOne numTwo);
//调用RunWorkerAsync()生成后台线程同时传入参数
thisbackgroundWorkerRunWorkerAsync(args);
}
catch (Exception ex)
{
MessageBoxShow(exMessage);
}
}
//backgroundWorker新生成的线程开始工作
private void backgroundWorker_DoWork(object sender DoWorkEventArgs e)
{
//获取传入的AddParams对象
AddParams args = (AddParams)eArgument;
//停留秒模拟耗时任务
ThreadSleep();
//返回值
eResult = argsa + argsb;
}
//当backgroundWorker的DoWork中的代码执行完后会触发该事件
//同时其执行的结果会包含在RunWorkerCompletedEventArgs参数中
private void backgroundWorker_RunWorkerCompleted(object sender RunWorkerCompletedEventArgs e)
{
//显示运算结果
MessageBoxShow(运行结果为 + eResultToString() 结果);
}
}
//参数类这个类仅仅起到一个记录并传递参数的作用
class AddParams
{
public int a b;
public AddParams(int numb int numb)
{
a = numb;
b = numb;
}
}
注意在计算结果的同时窗体可以随意移动也可以重新在文本框中输入信息这就说明主线程与backgroundWorker组件生成的线程是异步的
总结
本文从线程进程应用程序的关系开始介绍了一些关于多线程的基本概念同时阐述了线程异步线程同步及并发问题等最后从应用角度出发介绍了如何通过SystemThreading命名空间的类委托和BackgroundWorker组件等三种手段构建多线程应用程序
