C-多線程的詳細(xì)教程

1/1C_多線程的詳細(xì)教程C_多線程的詳細(xì)教程Windows是一個(gè)多任務(wù)的系統(tǒng)，如果你使用的是windows2000及其以上版本，你可以通過(guò)任務(wù)管理器查看當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的程序和進(jìn)程。

什么是進(jìn)程呢？當(dāng)一個(gè)程序開始運(yùn)行時(shí)，它就是一個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程所指包括運(yùn)行中的程序和程序所使用到的內(nèi)存和系統(tǒng)資源。

而一個(gè)進(jìn)程又是由多個(gè)線程所組成的，線程是程序中的一個(gè)執(zhí)行流，每個(gè)線程都有自己的專有寄存器(棧指針、程序計(jì)數(shù)器等)，但代碼區(qū)是共享的，即不同的線程可以執(zhí)行同樣的函數(shù)。

多線程是指程序中包含多個(gè)執(zhí)行流，即在一個(gè)程序中可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)不同的線程來(lái)執(zhí)行不同的任務(wù)，也就是說(shuō)允許單個(gè)程序創(chuàng)建多個(gè)并行執(zhí)行的線程來(lái)完成各自的任務(wù)。

瀏覽器就是一個(gè)很好的多線程的例子,在瀏覽器中你可以在下載JAVA小應(yīng)用程序或圖象的同時(shí)滾動(dòng)頁(yè)面,在訪問(wèn)新頁(yè)面時(shí),播放動(dòng)畫和聲音,打印文件等。

多線程的好處在于可以提高CPU的利用率任何一個(gè)程序員都不希望自己的程序很多時(shí)候沒事可干，在多線程程序中，一個(gè)線程必須等待的時(shí)候，CPU可以運(yùn)行其它的線程而不是等待，這樣就大大提高了程序的效率。

然而我們也必須認(rèn)識(shí)到線程本身可能影響系統(tǒng)性能的不利方面，以正確使用線程：

線程也是程序，所以線程需要占用內(nèi)存，線程越多占用內(nèi)存也越多多線程需要協(xié)調(diào)和管理，所以需要CPU時(shí)間跟蹤線程線程之間對(duì)共享資源的訪問(wèn)會(huì)相互影響，必須解決競(jìng)用共享資源的問(wèn)題線程太多會(huì)導(dǎo)致控制太復(fù)雜，最終可能造成很多Bug基于以上認(rèn)識(shí)，我們可以一個(gè)比喻來(lái)加深理解。

假設(shè)有一個(gè)公司，公司里有很多各司其職的職員，那么我們可以認(rèn)為這個(gè)正常運(yùn)作的公司就是一個(gè)進(jìn)程，而公司里的職員就是線程。

一個(gè)公司至少得有一個(gè)職員吧，同理，一個(gè)進(jìn)程至少包含一個(gè)線程。

在公司里，你可以一個(gè)職員干所有的事，但是效率很顯然是高不起來(lái)的，一個(gè)人的公司也不可能做大；一個(gè)程序中也可以只用一個(gè)線程去做事，事實(shí)上，一些過(guò)時(shí)的語(yǔ)言如fortune,basic都是如此，但是象一個(gè)人的公司一樣，效率很低，如果做大程序，效率更低事實(shí)上現(xiàn)在幾乎沒有單線程的商業(yè)軟件。

公司的職員越多，老板就得發(fā)越多的薪水給他們，還得耗費(fèi)大量精力去管理他們，協(xié)調(diào)他們之間的矛盾和利益；程序也是如此，線程越多耗費(fèi)的資源也越多，需要CPU時(shí)間去跟蹤線程，還得解決諸如死鎖，同步等問(wèn)題。

總之，如果你不想你的公司被稱為皮包公司，你就得多幾個(gè)員工；如果你不想讓你的程序顯得稚氣，就在你的程序里引入多線程吧！本文將對(duì)C#編程中的多線程機(jī)制進(jìn)行探討，通過(guò)一些實(shí)例解決對(duì)線程的控制，多線程間通訊等問(wèn)題。

為了省去創(chuàng)建GUI那些繁瑣的步驟，更清晰地逼近線程的本質(zhì)，下面所有的程序都是控制臺(tái)程序，程序最后的Console.ReadLine()是為了使程序中途停下來(lái)，以便看清楚執(zhí)行過(guò)程中的輸出。

好了，廢話少說(shuō)，讓我們來(lái)體驗(yàn)一下多線程的C#吧！二.操縱一個(gè)線程任何程序在執(zhí)行時(shí)，至少有一個(gè)主線程，下面這段小程序可以給讀者一個(gè)直觀的印象：

//SystemThread.csusingSystem;usingSystem.Threading;namespaceThreadTest{classRunIt{[STAThread]staticvoidMain(string[]args){Thread.CurrentThread.Name=SystemThread;//給當(dāng)前線程起名為SystemThreadConsole.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name+’Status:+Thread.CurrentThread.ThreadState);Console.ReadLine();}}}編譯執(zhí)行后你看到了什么？是的，程序?qū)a(chǎn)生如下輸出：

SystemThread’sStatus:Running在這里，我們通過(guò)Thread類的靜態(tài)屬性CurrentThread獲取了當(dāng)前執(zhí)行的線程，對(duì)其Name屬性賦值SystemThread，最后還輸出了它的當(dāng)前狀態(tài)（ThreadState）。

所謂靜態(tài)屬性，就是這個(gè)類所有對(duì)象所公有的屬性，不管你創(chuàng)建了多少個(gè)這個(gè)類的實(shí)例，但是類的靜態(tài)屬性在內(nèi)存中只有一個(gè)。

很容易理解CurrentThread為什么是靜態(tài)的雖然有多個(gè)線程同時(shí)存在，但是在某一個(gè)時(shí)刻，CPU只能執(zhí)行其中一個(gè)。

就像上面程序所演示的，我們通過(guò)Thread類來(lái)創(chuàng)建和控制線程。

注意到程序的頭部，我們使用了如下命名空間：

usingSystem;usingSystem.Threading;在.netframeworkclasslibrary中，所有與多線程機(jī)制應(yīng)用相關(guān)的類都是放在System.Threading命名空間中的。

其中提供Thread類用于創(chuàng)建線程，ThreadPool類用于管理線程池等等，此外還提供解決了線程執(zhí)行安排，死鎖，線程間通訊等實(shí)際問(wèn)題的機(jī)制。

如果你想在你的應(yīng)用程序中使用多線程，就必須包含這個(gè)類。

Thread類有幾個(gè)至關(guān)重要的方法，描述如下：

Start():啟動(dòng)線程Sleep(int):靜態(tài)方法，暫停當(dāng)前線程指定的毫秒數(shù)Abort():通常使用該方法來(lái)終止一個(gè)線程Suspend()：

該方法并不終止未完成的線程，它僅僅掛起線程，以后還可恢復(fù)。

Resume():恢復(fù)被Suspend()方法掛起的線程的執(zhí)行下面我們就動(dòng)手來(lái)創(chuàng)建一個(gè)線程，使用Thread類創(chuàng)建線程時(shí)，只需提供線程入口即可。

線程入口使程序知道該讓這個(gè)線程干什么事，在C#中，線程入口是通過(guò)ThreadStart代理（delegate）來(lái)提供的，你可以把ThreadStart理解為一個(gè)函數(shù)指針，指向線程要執(zhí)行的函數(shù)，當(dāng)調(diào)用Thread.Start()方法后，線程就開始執(zhí)行ThreadStart所代表或者說(shuō)指向的函數(shù)。

打開你的VS.net，新建一個(gè)控制臺(tái)應(yīng)用程序（ConsoleApplication），下面這些代碼將讓你體味到完全控制一個(gè)線程的無(wú)窮樂(lè)趣！//ThreadTest.csusingSystem;usingSystem.Threading;namespaceThreadTest{publicclassAlpha{publicvoidBeta(){while(true){Console.WriteLine(Alpha.Betaisrunninginitsownthread.);}}};publicclassSimple{publicstaticintMain(){Console.WriteLine(ThreadStart/Stop/JoinSample);AlphaoAlpha=newAlpha();file://這里創(chuàng)建一個(gè)線程，使之執(zhí)行Alpha類的Beta()方法ThreadoThread=newThread(newThreadStart(oAlpha.Beta));oThread.Start();while(!oThread.IsAlive);Thread.Sleep(1);oThread.Abort();oThread.Join();Console.WriteLine();Console.WriteLine(Alpha.Betahasfinished);try{Console.WriteLine(TrytorestarttheAlpha.Betathread);oThread.Start();}catch(ThreadStateException){Console.Write(ThreadStateExceptiontryingtorestartAlpha.Beta.);Console.WriteLine(Expectedsinceabortedthreadscannotberestarted.);Console.ReadLine();}return0;}}}這段程序包含兩個(gè)類Alpha和Simple，在創(chuàng)建線程oThread時(shí)我們用指向Alpha.Beta()方法的初始化了ThreadStart代理（delegate）對(duì)象，當(dāng)我們創(chuàng)建的線程oThread調(diào)用oThread.Start()方法啟動(dòng)時(shí)，實(shí)際上程序運(yùn)行的是Alpha.Beta()方法：

AlphaoAlpha=newAlpha();ThreadoThread=newThread(newThreadStart(oAlpha.Beta));oThread.Start();然后在Main()函數(shù)的while循環(huán)中，我們使用靜態(tài)方法Thread.Sleep()讓主線程停了1ms，這段時(shí)間CPU轉(zhuǎn)向執(zhí)行線程oThread。

然后我們?cè)噲D用Thread.Abort()方法終止線程oThread，注意后面的oThread.Join()，Thread.Join()方法使主線程等待，直到oThread線程結(jié)束。

你可以給Thread.Join()方法指定一個(gè)int型的參數(shù)作為等待的最長(zhǎng)時(shí)間。

之后，我們?cè)噲D用Thread.Start()方法重新啟動(dòng)線程oThread，但是顯然Abort()方法帶來(lái)的后果是不可恢復(fù)的終止線程，所以最后程序會(huì)拋出ThreadStateException異常。

程序最后得到的結(jié)果將如下圖：

在這里我們要注意的是其它線程都是依附于Main()函數(shù)所在的線程的，Main()函數(shù)是C#程序的入口，起始線程可以稱之為主線程，如果所有的前臺(tái)線程都停止了，那么主線程可以終止，而所有的后臺(tái)線程都將無(wú)條件終止。

而所有的線程雖然在微觀上是串行執(zhí)行的，但是在宏觀上你完全可以認(rèn)為它們?cè)诓⑿袌?zhí)行。

#endregion讀者一定注意到了Thread.ThreadState這個(gè)屬性，這個(gè)屬性代表了線程運(yùn)行時(shí)狀態(tài)，在不同的情況下有不同的值，于是我們有時(shí)候可以通過(guò)對(duì)該值的判斷來(lái)設(shè)計(jì)程序流程。

ThreadState在各種情況下的可能取值如下：

Aborted：

線程已停止AbortRequested：

線程的Thread.Abort()方法已被調(diào)用，但是線程還未停止Background：

線程在后臺(tái)執(zhí)行，與屬性Thread.IsBackground有關(guān)Running：

線程正在正常運(yùn)行Stopped：

線程已經(jīng)被停止StopRequested：

線程正在被要求停止Suspended：

線程已經(jīng)被掛起（此狀態(tài)下，可以通過(guò)調(diào)用Resume()方法重新運(yùn)行）SuspendRequested：

線程正在要求被掛起，但是未來(lái)得及響應(yīng)Unstarted：

未調(diào)用Thread.Start()開始線程的運(yùn)行WaitSleepJoin：

線程因?yàn)檎{(diào)用了Wait(),Sleep()或Join()等方法處于封鎖狀態(tài)上面提到了Background狀態(tài)表示該線程在后臺(tái)運(yùn)行，那么后臺(tái)運(yùn)行的線程有什么特別的地方呢？其實(shí)后臺(tái)線程跟前臺(tái)線程只有一個(gè)區(qū)別，那就是后臺(tái)線程不妨礙程序的終止。

一旦一個(gè)進(jìn)程所有的前臺(tái)線程都終止后，CLR（通用語(yǔ)言運(yùn)行環(huán)境）將通過(guò)調(diào)用任意一個(gè)存活中的后臺(tái)進(jìn)程的Abort()方法來(lái)徹底終止進(jìn)程。

當(dāng)線程之間爭(zhēng)奪CPU時(shí)間時(shí)，CPU按照是線程的優(yōu)先級(jí)給予服務(wù)的。

在C#應(yīng)用程序中，用戶可以設(shè)定5個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)，由高到低分別是Highest，AboveNormal，Normal，BelowNormal，Lowest，在創(chuàng)建線程時(shí)如果不指定優(yōu)先級(jí)，那么系統(tǒng)默認(rèn)為ThreadPriority.Normal。

給一個(gè)線程指定優(yōu)先級(jí)，我們可以使用如下代碼：

//設(shè)定優(yōu)先級(jí)為最低myThread.Priority=ThreadPriority.Lowest;通過(guò)設(shè)定線程的優(yōu)先級(jí)，我們可以安排一些相對(duì)重要的線程優(yōu)先執(zhí)行，例如對(duì)用戶的響應(yīng)等等。

現(xiàn)在我們對(duì)怎樣創(chuàng)建和控制一個(gè)線程已經(jīng)有了一個(gè)初步的了解，下面我們將深入研究線程實(shí)現(xiàn)中比較典型的的問(wèn)題，并且探討其解決方法。

三.線程的同步和通訊生產(chǎn)者和消費(fèi)者假設(shè)這樣一種情況，兩個(gè)線程同時(shí)維護(hù)一個(gè)隊(duì)列，如果一個(gè)線程對(duì)隊(duì)列中添加元素，而另外一個(gè)線程從隊(duì)列中取用元素，那么我們稱添加元素的線程為生產(chǎn)者，稱取用元素的線程為消費(fèi)者。

生產(chǎn)者與消費(fèi)者問(wèn)題看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是卻是多線程應(yīng)用中一個(gè)必須解決的問(wèn)題，它涉及到線程之間的同步和通訊問(wèn)題。

前面說(shuō)過(guò)，每個(gè)線程都有自己的資源，但是代碼區(qū)是共享的，即每個(gè)線程都可以執(zhí)行相同的函數(shù)。

但是多線程環(huán)境下，可能帶來(lái)的問(wèn)題就是幾個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行一個(gè)函數(shù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的混亂，產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果，因此我們必須避免這種情況的發(fā)生。

C#提供了一個(gè)關(guān)鍵字lock，它可以把一段代碼定義為互斥段（criticalsection），互斥段在一個(gè)時(shí)刻內(nèi)只允許一個(gè)線程進(jìn)入執(zhí)行，而其他線程必須等待。

在C#中，關(guān)鍵字lock定義如下：

lock(expression)statement_blockexpression代表你希望跟蹤的對(duì)象，通常是對(duì)象引用。

一般地，如果你想保護(hù)一個(gè)類的實(shí)例，你可以使用this；如果你希望保護(hù)一個(gè)靜態(tài)變量（如互斥代碼段在一個(gè)靜態(tài)方法內(nèi)部），一般使用類名就可以了。

而statement_block就是互斥段的代碼，這段代碼在一個(gè)時(shí)刻內(nèi)只可能被一個(gè)線程執(zhí)行。

下面是一個(gè)使用lock關(guān)鍵字的典型例子，我將在注釋里向大家說(shuō)明lock關(guān)鍵字的用法和用途：

//lock.csusingSystem;usingSystem.Threading;internalclassAccount{intbalance;Randomr=newRandom();internalAccount(intinitial){balance=initial;}internalintWithdraw(intamount){if(balance0){file://如果balance小于0則拋出異常thrownewException(NegativeBalance);}//下面的代碼保證在當(dāng)前線程修改balance的值完成之前//不會(huì)有其他線程也執(zhí)行這段代碼來(lái)修改balance的值//因此，balance的值是不可能小于0的lock(this){Console.WriteLine(CurrentThread:+Thread.CurrentThread.Name);file://如果沒有l(wèi)ock關(guān)鍵字的保護(hù)，那么可能在執(zhí)行完if的條件判斷之后file://另外一個(gè)線程卻執(zhí)行了balance=balance-amount修改了balance的值file://而這個(gè)修改對(duì)這個(gè)線程是不可見的，所以可能導(dǎo)致這時(shí)if的條件已經(jīng)不成立了file://但是，這個(gè)線程卻繼續(xù)執(zhí)行balance=balance-amount，所以導(dǎo)致balance可能小于0if(balance=amount){Thread.Sleep(5);balance=balance-amount;returnamount;}else{return0;//transactionrejected}}}internalvoidDoTransactions(){for(inti=0;i100;i++)Withdraw(r.Next(-50,100));}}internalclassTest{staticinternalThread[]threads=newThread[10];publicstaticvoidMain(){Accountacc=newAccount(0);for(inti=0;i10;i++){Threadt=newThread(newThreadStart(acc.DoTransactions));threads[i]=t;}for(inti=0;i10;i++)threads[i].Name=i.ToString();for(inti=0;i10;i++)threads[i].Start();Console.ReadLine();}}而多線程公用一個(gè)對(duì)象時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)和公用代碼類似的問(wèn)題，這種問(wèn)題就不應(yīng)該使用lock關(guān)鍵字了，這里需要用到System.Threading中的一個(gè)類Monitor，我們可以稱之為監(jiān)視器，Monitor提供了使線程共享資源的方案。

Monitor類可以鎖定一個(gè)對(duì)象，一個(gè)線程只有得到這把鎖才可以對(duì)該對(duì)象進(jìn)行操作。

對(duì)象鎖機(jī)制保證了在可能引起混亂的情況下一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)線程可以訪問(wèn)這個(gè)對(duì)象。

Monitor必須和一個(gè)具體的對(duì)象相關(guān)聯(lián)，但是由于它是一個(gè)靜態(tài)的類，所以不能使用它來(lái)定義對(duì)象，而且它的所有方法都是靜態(tài)的，不能使用對(duì)象來(lái)引用。

下面代碼說(shuō)明了使用Monitor鎖定一個(gè)對(duì)象的情形：

QueueoQueue=newQueue();Monitor.Enter(oQueue);//現(xiàn)在oQueue對(duì)象只能被當(dāng)前線程操縱了Monitor.Exit(oQueue);//釋放鎖如上所示，當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用Monitor.Enter()方法鎖定一個(gè)對(duì)象時(shí)，這個(gè)對(duì)象就歸它所有了，其它線程想要訪問(wèn)這個(gè)對(duì)象，只有等待它使用