C# · 12月 23, 2021

详细讲解C#的多线程能力 转载

<span style=”FONT-SIZE: 10pt”>  线程是允许进行并行计算的一个抽象概念:在另一个线程完成计算任务的同时,一个线程可以对图像进行更新,二个线程可以同时处理同一个进程发出的二个网络请求。我们在这篇文章中将重点讨论Java和C#在线程方面的不同之处,并将一些Java中线程的常用模式转换为C#。        从概念上讲,线程提供了一种在一个软件中并行执行代码的方式━━每个线程都“同时”在一个共享的内存空间中执行指令,(当然是在一个处理器上,这是通过处于运行状态的线程的交替执行完成的。),因此,每个线程都可以访问一个程序内的数据结构。由于这种原因,多线程编程的难度就可想而知了,因为一个程序内有许多不同的线程需要安全地共享数据。        线程的创建和运行        Java在java.lang.Thread和java.lang.Runnable类中提供了大部分的线程功能。创建一个线程非常简单,就是扩展Thread类,并调用start()。通过创建一个执行Runnable()的类,并将该类作为参数传递给Thread(),也可以定义一个线程。仔细地阅读下面这个简单的Java程序,其中有2个线程同时在从1数到5,并将结果打印出来。
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</table><p style="FONT-SIZE: 10pt">        我们可以使用System.Threading.Thread和System.Threading.ThreadStart二个类将上述的Java程序转换为C#语言:

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</table><p style="FONT-SIZE: 10pt">       这个例子中有一些小技巧。Java允许扩展java.lang.Thread类和执行java.lang.Runnable接口,C#则没有为我们提供这些便利。一个C#中的Thread对象是不可知的,必须通过ThreadStart进行创建,这意味着不能使用内部的类模式,而必须创建一个对象,而且必须传递给线程一个对象的方法供线程执行用。线程的使用        Java中存在许多编程人员希望能够对线程使用的标准操作:例如,测试线程是否存在、加入一个线程直到它死亡、杀死一个线程等。        表1:线程管理的函数        Java中java.lang.Thread中的方法和C#中System.Threading.Thread对象的对比。                setDaemon(   boolean   on)   方法        IsBackground   设置属性值        使一个存在的进程成为一个新线程(如果剩下的所有进程都成了新线程,程序将停止运行)。                isDaemon()方法        IsBackground   获取属性        如果该线程是一个后台线程,则返回真值。                isAlive()   方法        IsAlive   获取属性        如果该线程处于活动状态,则返回真值。                interrupt()   方法        Interrupt()   方法        尽管在Java中这一方法可以用来设置线程的中断状态,而且可以用来检查线程是否被中断。在C#中没有相应的方法,对一个没有处于阻塞状态的线程执行Interrupt方法将使下一次阻塞调用自动失效。                isInterrupted()   方法        n/a        如果该线程处于阻塞状态,则返回真值。                sleep(   long   millis   )和sleep(   long   millis,  int   nanos   )        Sleep(   int   millisecondTimeout   )   and   Sleep(   System.TimeSpan   )方法        使正在执行的线程暂停一段给定的时间,或直到它被中断。这一方法将在Java中将产生一个java.lang.InterruptedException状态,在C#中将产生System.Threading.   ThreadInterruptedException状态。                join()、join(   long   millis   )和join(   long   millis,  int   nanos   )   方法        Join()、Join(   int   millisecondTimeout   )和Join(   System.TimeSpan   )   方法   与Java中仅依靠超时设定不同的是,在C#语言中则依据线程停止运行是由于线程死亡(返回真)或是超时(返回假)而返回一个布尔型变量。                suspend()   方法        Suspend()   方法        二者的功能相同。这一方法容易引起死循环,如果一个占有系统关健资源的线程被挂起来,则在这一线程恢复运行之前,其他的线程不能访问该资源。                resume()   方法        Resume()   方法        恢复一个被挂起的线程。                stop()   方法        Abort()   方法        参见下面的“线程停止”部分。        (特别说明,在上面的表中,每个小节的第一行是java中的方法,第二行是C#中的方法,第三行是有关的注释,由于在文本文件中不能组织表格,请编辑多费点心组织表格,原文中有表格的格式。)        线程的中止        由于能够在没有任何征兆的情况下使运行的程序进入一种混乱的状态,Java中的Thread.stop受到了普遍的反对。根据所调用的stop()方法,一个未经检查的java.lang.ThreadDeath错误将会破坏正在运行着的程序的栈,随着它的不断运行,能够解除任何被锁定的对象。由于这些锁被不分青红皂白地被打开,由它们所保护的数据就非常可能陷入混乱状态中。        根据当前的Java文档,推荐的中止一个线程的方法是让运行的线程检查一个由其他的线程能够改变的变量,该变量代表一个“死亡时间”条件。下面的程序就演示了这种方法。

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</table>             上述的讨论对C#中的Abort方法也适合。根据调用的Abort方法,令人捉摸不定的System.Threading.ThreadAbortException可能会破坏线程的栈,它可能释放线程保持的一些变量,使处于保护状态中的数据结构出现不可预测的错误。我建议使用与上面所示的相似的方法来通知一个应该死亡的线程。<p style="FONT-SIZE: 10pt">线程的同步        从概念上来看,线程非常易于理解,实际上,由于他们可能交互地对同一数据结构进行操作,因此它们成为了令编程人员头疼的一种东西。以本文开始的ThreadingExample为例,当它运行时,会在控制台上输出多种不同的结果。从   1   2   3   4   5   1   2   3   4   5到   1   1   2   2   3   3   4   4   5   5或   1   2   1   2   3   3   4   5   4   5在内的各种情况都是可能出现的,输出结果可能与操作系统的线程调度方式之间的差别有关。有时,需要确保只有一个线程能够访问一个给定的数据结构,以保证数据结构的稳定,这也是我们需要线程同步机制的原因所在。        为了保证数据结构的稳定,我们必须通过使用“锁”来调整二个线程的操作顺序。二种语言都通过对引用的对象申请一个“锁”,一旦一段程序获得该“锁”的控制权后,就可以保证只有它获得了这个“锁”,能够对该对象进行操作。同样,利用这种锁,一个线程可以一直处于等待状态,直到有能够唤醒它信号通过变量传来为止。        表2:线程同步        需要对线程进行同步时需要掌握的关健字        synchronized        lock        C#中的lock命令实际上是为使用System.Threading.Monitor类中的Enter和Exit方法的语法上的准备                Object.wait()        Monitor.Wait(   object   obj   )        C#中没有等待对象的方法,如果要等待一个信号,则需要使用System.Threading.Monitor类,这二个方法都需要在同步的程序段内执行。                Object.notify()        Monitor.Pulse(   object   obj   )        参见上面的Monitor.Wait的注释。                Object.notify()        Monitor.PulseAll(   object   obj   )        参见上面的Monitor.Wait的注释。        (特别说明,在上面的表中,每个小节的第一行是java中的方法,第二行是C#中的方法,第三行是有关的注释,由于在文本文件中不能组织表格,请编辑多费点心组织表格,原文中有表格的格式。)                我们可以对上面的例子进行一些适当的修改,通过首先添加一个进行同步的变量,然后对count()方法进行如下的修改,使变量在“锁”中被执行加1操作。

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</table><p style="FONT-SIZE: 10pt">        作了上述的改变后,每次只有一个线程(因为一次只能有一个线程获得synchronizeVariable)能够执行for   loop循环输出数字1;然后,它会唤醒所有等待synchronizeVariable的线程(尽管现在还没有线程处于等待状态。),并试图获得被锁着的变量,然后等待再次获得锁变量;下一个线程就可以开始执行for   loop循环输出数字1,调用notifyAll()唤醒前面的线程,并使它开始试图获得synchronizeVariable变量,使自己处于等待状态,释放synchronizeVariable,允许前面的线程获得它。这个循环将一直进行下去,直到它们都输出完从1到5的数字。        通过一些简单的语法变化可以将上述的修改在C#中实现:

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</table>C#中特有的线程功能        象我们一直对C#所抱的期望那样,C#中确实有一些Java不支持的方法、类和函数,对于铁杆的Java线程编程人员而言,这可是一件好事,因为他们可以用C#编写代码,然后在Java代码中引用。        Enter/TryEnter/Exit        要在Java中获得某一变量的锁,必须在代码的首尾二端加上synchronized关健字,指明需要获得锁的对象。一旦线程开始执行synchronized块中的代码,它就获得了对这一对象的锁的控制权。同样,一旦线程已经离开了synchronized块,它也将释放这一对象的锁。我们已经知道,C#也有一个相似的被称作lock的关健字。除了lock这个关健字外,C#还提供了内置的获得和释放锁的方法:Monitor.Enter(   object   obj   )和   Monitor.Exit(   object   obj   ),通过使用这些方法,编程人员可以获得与使用lock相同的作用,但提供了更精确的控制方法。例如,可以在一个方法中锁定几个变量,而不同时或在代码中的不同部分释放它们。        对一个需要进行同步的对象执行System.Threading.Monitor.Enter操作将使线程获得该对象的锁,或者在由其他线程控制着该对象的锁时进行阻塞。通过执行Monitor.Exit方法就可以释放锁,如果线程已经不控制着该对象的锁了,这一方法将会产生一个System.Threading.SynchronizationLockException异常信号。        C#中的Monitor类不但包括Enter方法,还包括TryEnter方法,如果执行该方法,就会或者获得一个锁,或者返回一个表明它不能获得锁的返回值。        原子操作        System.Threading.Interlocked类提供了程序对由几个线程共享的变量进行同步访问的能力,C#把一些操作抽象为“原子”操作或“不可分割”的操作。为了说明这一问题是如何解决的,我们来看一下下面的Java代码:<p style="FONT-SIZE: 10pt">

</table><p style="FONT-SIZE: 10pt">        如果有二个不同的线程同时调用increment(),x最后的值可能是2或3,发生这种情况的原因可能是二个进程无序地访问x变量,在没有将x置初值时对它执行加1操作;在任一线程有机会对x执行加1操作之前,二个线程都可能将x读作1,并将它设置为新的值。        在Java和C#中,我们都可以实现对x变量的同步访问,所有进程都可以按各自的方式运行。但通过使用Interlocked类,C#提供了一个对这一问题更彻底的解决方案。Interlocked类有一些方法,例如Increment(   ref   int   location   )、Decrement(   ref   int   location   ),这二个方法都取得整数型参数,对该整数执行加或减1操作,并返回新的值,所有这些操作都以“不可分割的”方式进行,这样就无需单独创建一个可以进行同步操作的对象,如下例所示:

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</table><p style="FONT-SIZE: 10pt">   C#中的Interlocked类可以用下面的代码完成相同的操作:

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</table>        Interlocked中还包括一个名字为Exchange的方法,可以“不可分割”地将一个变量的值设置为另一个变量的值。        线程池        如果许多利用了线程的应用软件都创建线程,这些线程将会因等待某些条件(键盘或新的I/O输入等)而在等待状态中浪费大部分的时间,C#提供的System.Threading.ThreadPool对象可以解决这一问题。使用ThreadPool和事件驱动的编程机制,程序可以注册一个System.Threading.WaitHandle对象(WaitHandle是C#编程中等待和通知机制的对象模型。)和System.Threading.WaitOrTimerCallback对象,所有的线程无需自己等待WaitHandle的释放,ThreadPool将监控所有向它注册的WaitHandle,然后在WaitHandle被释放后调用相应WaitOrTimerCallback对象的方法。        结束语        在本篇文章中我们简单地讨论了C#提供的用于线程和并行操作的机制,其中的大部分与Java相似━━C#提供了可以运行提供的方法的Thread对象,同时提供了对代码访问进行同步的方法。与在其他方面一样,C#在线程方面也提供了一些Java不支持的语法(在一定程度上,揭示了同步操作的一些底层的内容。),Java编程人员可能会发现这一部分非常有用。