C#多线程总结

using System;
using System.Threading.Tasks;

public class Program
{
    public static async Task Main()
    {
        Console.WriteLine("开始执行异步操作");

        await ExecuteAsyncOperation(); // 调用异步方法，并在此等待其完成

        Console.WriteLine("异步操作完成");
    }

    public static async Task ExecuteAsyncOperation()
    {
        Console.WriteLine("开始执行异步操作");
        
        // 模拟一个耗时的操作，这里使用 Task.Delay 方法来模拟
        // 这个操作会暂停方法的执行，但不会阻塞主线程
        await Task.Delay(1000); // 暂停 1 秒钟
        
        Console.WriteLine("异步操作完成");
    }
}

基于委托实现

调用BeginInvoke()方法

利用返回结果状态做进度条

异步等待WaitOne

异步返回值EndInvoke

二、同步线程

同步线程是指线程的执行是按照顺序的，每个操作都必须等待前一个操作完成后才能继续执行，这种线程模型被称为同步。

三、Thread线程

开启线程

设置线程优先级

thread.Priority=ThreadPriority.Highest;//设置高优先级，只是一个概率的提升

Thread拓展封装

场景一：开启新线程执行任务后紧接着需要执行的一个任务

场景二：开启一个线程，既要不卡界面，又要返回结果

Func<int> func=()=>
{
	Thread.Sleep(2000)；
	return 6;
};
Fun<int> funcResult=ThreadWithReturn(func)；
int iResult=funcResult.Invoke()；//如果需要执行结果，等待是必须的

四、ThreadPool线程池

线程池是一个用于管理和重用线程的机制，它提供了一种轻量级的方式来处理并发执行的任务。线程池在应用程序启动时会创建一组预分配的线程，这些线程被放置在线程池中，并准备好处理工作项。当应用程序需要执行某个任务时，可以将任务提交给线程池，并由线程池中的线程来执行任务。使用线程池的好处之一是可以减少线程创建和销毁的开销，因为线程池会重用已创建的线程，从而提高性能和资源利用率。

注：线程池是一个共享的资源，因此需要注意使用线程池的任务应尽量是短期的，以避免阻塞线程池中的其他任务。如果需要执行长时间运行的任务，可以考虑使用Async/Await或其他异步编程模型。

常规使用

1）ThreadPool.QueueUserWorkItem

运行结果：方法1、2中的任务是由线程池自动调度的

2)一些使用示例

设置线程数

线程等待

Thread和ThreadPool比较

【1】Thread：只要我们需要异步任务，都会开启一个Thread，比然有时间和空间开销。

【2】TheadPool：是一个线程池，由系统维护和缓存，因为默认都是初始化好的，所以使用方便，退回容易。用的时候，只需要请求即可。

Thread开启10个线程

ThreadPool开启10个线程

总结：

【1】我们的线程池可以根据电脑的实际CPU情况开启一定个数的线程，放到线程池中。

【2】10个异步任务，但是我们通过4个线程就完成了，节省时间和空间开销。

通过线程池做一些扩展（定时器类）

五、Task线程(推荐使用)

Task是一种用于多线程编程的高级概念。Task可以把工作项分配给线程执行，使得你可以轻松地编写异步代码。

在C# 5.0以前，编写异步代码需要使用回调函数或Thread类等底层API，这使得代码复杂难以维护。而在C# 5.0引入async/await语法之后，使用Task来编写异步代码变得更加简单和直观，使用Task来编写异步代码的好处之一是可以避免使用回调函数，使得代码更加简洁和易于维护。同时，Task还提供了其他高级的功能，如取消异步操作和处理多个异步操作的结果等。

1、常规使用

new一个新的Task

例子

运行结果

Task.Run

Task.Factory

例子

RunSynchronously

通常用于同步地执行一个异步操作。这个方法通常是在异步操作的Task对象上调用的，以便立即在当前线程上执行异步操作并等待其完成。

Parallel

Parallel类提供了一种简单而有效的方式来并行执行任务，以充分利用多核处理器的能力。Parallel类通常用于对集合进行并行操作，如并行循环、并行LINQ查询等。

注意:Parallel类会自动控制线程的创建和任务的分配，以充分利用可用的处理器核心。它提供了一种方便的方式来实现并行计算，避免了手动管理线程和同步的复杂性。

使用Parallel类可以使得在多核处理器上执行任务变得更加简单和高效，但需要注意避免在并行任务中使用共享的可变状态，以避免数据竞争和其它并发问题。

使用Parallel.Invoke

使用 Parallel.For 并行处理循环

使用 Parallel.ForEach 并行处理数组中的元素

Parallel.ForEach(data, (item) =>
{
     Console.WriteLine("处理元素 " + item);
     // 在这里可以执行一些耗时的操作
});

2、Task中6种阻塞方式和任务延续

Join阻塞

Delay延迟

创建一个在指定时间间隔后完成的异步操作的静态方法

Wait等待

通过调用 task.Wait()，程序会等待任务完成。在任务完成后，才会继续执行下面的代码

task.Wait() 和 task.Join() 都用于等待异步任务的完成。它们的主要区别在于，Wait() 是 Task 类的成员方法，而 Join() 是 Thread 类的成员方法。

task.Wait() 会阻塞当前线程，直到任务完成。如果任务异常退出，Wait() 方法会抛出相应的异常，可以使用 try-catch 块来处理。

task.Join() 会阻塞当前线程，直到对应线程执行完成。如果对应的线程异常退出，Join() 方法不会抛出异常，需要通过其他机制来处理异常。

与 Wait() 不同，Join() 方法是用在多线程编程中的，因为 Join() 方法只能等待线程完成，而不能等待任务完成。因此，如果使用 Join() 方法等待异步任务的完成，必须先使用 Task.Run() 方法将异步任务转换为线程，然后才能使用 Join() 方法。

WaitAll等待所有

Task.WaitAll(task1,task2)

Task.WaitAll(taskList.ToArray());

WaitAny等待任一

Task.WaitAny(task1,task2)

Task.WaitAny(taskList.ToArray());

ContinueWhenAll

主线程不等待，子线程依次进行

不卡UI界面

WhenAll和ContinueWith结合使用

ContinueWhenAny

一堆子线程中,执行某一任务后,去执行另外一个动作

WhenAny和ContinueWith结合使用

3、TaskCreationOptions枚举

父子任务

长时间运行的任务处理

4、线程取消

抛出异常

线程无法从外面取消的，他只能自己取消自己（其实就是抛出一个异常）。

CacellationTokenSoure

Task中的取消功能：使用的是CacellationTokenSoure解决多任务中协作取消、任务清理、和超时取消方法。

取消当前线程

Token注入到线程中，可取消当前线程后的未启动的所有线程

注：若在当前线程中间调用Cancel（），当前线程会执行完毕，后续线程终止

Task任务取消时，额外工作处理

//Task任务延时自动取消：特别适合于一定时间内容取消任务

//比如我们请求一个任务（可以是远程的接口，或者是某些数据的接收）在一定的时间内，没有返回数据，或者数据没有接收完毕

//这时候可以自己设置延时时间，超时自动取消。

5、Task中的返回值获取

单任务返回结果

关联任务返回结果

多任务集中返回结果

6、Task中专门的异常处理AggregateException

7、多线程情况下的异常捕获

使用Task.WaitAll

六、线程的生命周期

Start（开始）

线程开始

Suspend（挂起）

挂起（suspend），就是我们说的暂停。挂起是用户主动发起的行为，所以，可以恢复。线程被挂起的时候，CPU资源部不被释放。如果当前执行的任务优先级高，其他任务靠边站。挂起一般是程序调试中，为了观察某些数据，而使用，方便调试。

Interrupt（中断）

中断（Interrupt）, 通过调用Thread实例的Interrupt方法，可以向线程发送一个中断信号，从而引发ThreadInterruptedException，以便中断线程的执行。需要注意的是，中断并不会终止线程的执行，而是将中断标志位置为true，并在适当的时机抛出ThreadInterruptedException。在工作线程中需要使用try...catch块来捕获中断异常，并在捕获到中断信号时执行清理工作并中止线程。

Sleep(休眠)和Wait(等待)

Sleep（）和Wait（）都可以让程序等待多少毫秒。Sleep（）方法没有是放锁。线程调用的时候，CPU资源一直占有。所以称为“占着CPU睡觉”。Wait（）方法释放锁。其他线程可以使用资源。

Sleep(2000)表示：占用CPU，程序休眠2秒。

Wait(2000)表示：不占用CPU，程序等待2秒。

Resume（恢复）

恢复（Resume）, 不再推荐使用Resume方法来恢复已暂停的线程。在早期版本的.NET Framework中，Thread类提供了Resume方法来恢复线程的执行，但是在现代的.NET版本中，Resume方法已经过时，并且不推荐使用它。在替代方案中，可以使用Monitor类或ManualResetEvent来控制线程的暂停和恢复。

Abort（取消）

取消（Abort）, 可以使用Abort()方法来取消（终止）一个线程的执行。但是，Abort()方法并不是一种建议的线程取消方式，因为它可能导致一些不可预测的结果和资源泄漏。当调用Abort()方法时，线程会立即引发ThreadAbortException，这个异常可以在线程的代码中捕获和处理。如果该异常未被捕获，线程会立即终止并且不会执行任何清理工作。这可能会导致资源未正确释放，例如未关闭的文件或未释放的锁等。此外，取消线程的过程中，线程的堆栈可能被破坏，导致应用程序变得不稳定。通常建议使用一种更安全和优雅的方式来取消线程的执行，例如使用CancellationToenSource类来实现取消操作。

Join（阻塞）

阻塞（Join）, 可以使用Join()方法来等待一个线程执行完成。Join()方法将阻塞调用线程，直到目标线程完成执行并终止。如果目标线程已经完成执行了，那么Join()方法会立即返回。Join()方法是一种比较简单直接的方式来等待线程执行完成，但需要注意的是，在执行Join()方法之前，必须先调用Start()方法来启动线程。

thread.Join（2000）//阻塞2s

thread.Join（）//阻塞直到任务完成

ResetAbort(再次启用)

把终结的线程再次启用

示例：

多线程的优点：

【1】计算机中一般会运行很多程序，会有很多对应的进程，进程的数量都会超过CPU的个数，如果所有的任务都通过进程来切换，会非常的耗时,将每个进程，分成若干线程，通过线程切换代价更小。

【2】提升CPU的利用率。比如某些线程在等待资源的时候（等待输入、监听数据等）多线程允许其他线程继续执行，从而避免整个进程被阻塞。

从而提高了CPU的利用率。这就解释了，为什么有时候CPU的使用率很低，但是发现内存占用还很高的原因。

【3】在多CPU和多核情况下，真正实现并行运行。

多线程的缺点：

【1】线程越多，上下文切换的开销也越大。CPU的效率就会降低。

【2】线程间的同步容易出错，且不易调试。

【3】多线程是需要代价的。

七、应用程序域

定义：一个应用程序对应一个进程，每个进程会映射对应的物理内存，从而隔离程序。

特殊情况：在一个进程中，我们通常会调用另一个应用程序，比如在VS中，对应devenv进程，创建一个记事本进程。如果单独开一个进程，性能开销是比较大的。为了解决这个问题，.NET中引入应用程序域（AppDomain），并且将它设置在进程和线程之间。每个进程至少包括一个应用程序域，在托管代码运行时，CLR还会额外的创建《系统域》和《共享域》，存放应用程序需要的资源这样的话，就能够减少进程的总数，提高系统性能，减轻进度调度的压力。应用程序域可以看成是程序集的“容器”。应用程序域可以被主动创建，也可以被卸载。并且很快被GC回收。

加载应用程序域前后,进程数没有改变

八、WinDbg的使用

WinDbg的使用：底层内存查看工具，通过它可以观察CLR这一级别的信息，底层看的更清楚。启动后，首先要载入.NET调试扩展包SOS ，是.NET框架的一部分，无需下来，在操作系统对应目录中。

注意：在使用老版本的时候，需要手动添加符号文件，并且注意你项目的编译位数一定要和windbg的位数一致。

常用的命令：

【1】.loadby sos clr 加载sos.dll (以便支持更多的命令)

【2】!clrstack 打印当前线程调用的Stacktrace

【3】!dumpheap 打印堆中所有对象的地址，大小和方法表

PS：sos所有的命令都以“！”开拓，通过!help查看所有的命令。

九、多线程原理研究

目的：增加对线程空间和时间上的开销理解，才能更加合理的使用线程。

内容：

（1）线程Thread在内存空间上和时间的消耗研究

（2）线程Thread相关的实例方法

（3）线程Thread相关的静态方法

线程在内存空间上的开销

【1】Thread内核数据结果：主要有osid（线程的ID）和Context（存放CPU寄存器相关的变量）

寄存器的状态会被随时的保存到Contex中，以便下次使用，多线程时间片切换中是有帮助。

时间片切换理解：计算机基于时间片把当前线程中的资源放到CPU的Context中，然后线程休眠，开始其他线程的调度。

一个时间片应该大约30ms左右（xp和vista时代）

【2】Thead环境块（Thread Environment Block，TEB）

包括：thread本地存储，exceptionList信息等。

0:007> .loadby sos clr

0:007> !threads

ThreadCount: 3

UnstartedThread: 0

BackgroundThread: 1

PendingThread: 0

DeadThread: 1

Hosted Runtime: no

Lock

ID OSID ThreadOBJ State GC Mode GC Alloc Context Domain Count Apt Exception

0 1 294c0 0000018436123130 2a020 Preemptive 0000018437BC7E38:0000018437BC7FD0 00000184360fa5c0 1 MTA

6 2 8454 000001843614d520 2b220 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 00000184360fa5c0 0 MTA (Finalizer)

XXXX 3 0 000001843617cf20 39820 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 00000184360fa5c0 0 Ukn

第1个线程是主线程

第2个线程是终结器（也就是GC用来回收资源的）

第3个线程是我们启动的。

以上内容都会占用资源，所以我们需要研究。

【3】用户堆栈模式：用户程序的“局部变量”和“参数传递”所使用的堆栈。

经常见到StackOverFlowException,内存溢出的基本原因其实就是《堆栈溢出》

默认情况：windows会分配1M的空间用于用户模式堆栈（换句话说，一个线程分配1M堆栈空间，主要用途参数，局部变量）

【4】内核堆栈模式：就是我们的程序要访问操作系统使用的堆栈。

理解：在CLR的线程操作的时候，通常最后会调用底层win32函数，用户模式中的参数需要传递到内核模式中。

线程在时间上的开销

【1】资源使用通知的开销：我们运行一个程序，通常会加载很多的托管的，和非托管的dll，exe，资源，元数据... 我们通过windbg可以观察到。

使用windbg加载一个进程的时候，会有很多ModLoad列表，这些就是加载的模块...请在windbg上看那个进程列表...

这些dll有的是托管的，也有的是非托管的。

思考：程序运行的时候，如何查看应用程序域？

《常用命令3》!DumpDomain 输入后看到3个应用程序域，这个是进程启动的时候，默认的。

（1）System Domain: 系统程序域（由CLR创建的）

（2）Shared Domain: 共享程序域，加载了一个叫做mscorlib.dll模块，这个是系统模块，很多程序需要（如果感兴趣，可以自己研究）

比如我们程序中用的那些int、long等都会放到这里面。

（3）Domain 1：加载了当前exe文件，还有mscorlib.dll模块，也就是我们运行的这个程序最终在这个里面。这个可以理解成私有的程序域。

开启一个Thread，销毁一个Thread，都会通知进程中的相关dll。通过相关的attach、detach等标志位。目的就是为了给线程做资源清理。

【2】时间片切换开销：请大家自己打开任务管理器，看看CPU个数。通过观察，当前我的计算机是4核四线程，如果超过4个线程，比如5个，必然会有一个thread休眠30ms，也就是时间片切换，来实现调度。

以上是我们开启一个线程，所带来的开销，请大家权衡后，适当的开启我们需要的线程，不要任意开启，否则CPU也难以承受。

我们看到的CPU中线程很多。但是本质上会有很多线程都是休眠的。CPU使用很低。

十、多线程资源竞用问题

1. 使用《 Thread.AllocateDataSlot（）未命名的数据槽位》和《Thread.AllocateNamedDataSlot 命名的数据槽位》解决资源竞用。

使用命名槽位

使用未命名槽位

2.在主线程中使用 ThreadStatic特性标注在变量上面，则只有主线程有权访问该变量

3. ThreadLocal线程的本地存储（TLS： thread local storage），解决资源竞用问题

十一、Debug和Release区别

在实际项目中，我们一般都用Release版本，而不是Debug发布。因为Release中做了一些代码和缓存的优化,

比如说将一些数据从memory中读取到cpu高速缓存中。我们观察一下CPU任务管理器中，L1、L2、L3缓存，速度远高于内存。

编写冒泡排序程序，并测试10次，比较Release和Debug】

Debug版本

Release版本

从结果中可以看到，大概有2-3倍的差距！release做了性能提升！

上面这段代码在release环境下出现问题了：主线程不能执行结束。

【问题分析】

从代码中可以发现，有两个线程在共同一个stop变量。

就是thread这个线程会将stop加载到Cpu Cache中，而主线程中，又修改了stop的数据，所以thread是无法知道的，

这样while就会一直执行！而主线程又在Join子线程，所以，无法输出！

【注意问题】以上情况，不是绝对的，也就是说主线程和子线程公用变量的情况，是否会出现上面的情况，是不完全确定的。

通常的解决方法：

【1】不要让多个线程去操作一个共享变量，否则容易出问题。从根本上解决问题。

【2】如果一定要这么做，那就需要使用本节课所讲到的两个方法：

MemoryBarrier（）

VolatileRead/Write（）

也就是：不要进行缓存，每次读取数据都是从memory中读取数据。就不存在上面的问题。

前言

一、异步线程

使用async和await关键字