C#多线程

C#多线程简单示例

Thread类构造函数可以传入一个委托，作为线程调用的方法。

using System;
using System.Threading;

namespace Test
{
    public class Thread1
    {
        public static void ThreadFunc1()
        {
            while (true)
            {
                Console.WriteLine("Thread 1!");
                Thread.Sleep(1000);
            }
        }

        private int num = 5;

        public Thread1()
        {
            // 使用静态方法作为线程调用的方法，不带参数
            Thread thread1 = new Thread(ThreadFunc1);
            thread1.Start();

            // 使用成员方法作为线程调用的方法，可带一个 object 类型的参数
            Thread thread2 = new Thread(ThreadFunc2);
            thread2.Start(2);
        }

        private void ThreadFunc2(object obj)
        {
            int count = num * (int)obj;
            while (count > 0)
            {
                Console.WriteLine("Thread 2!");
                Thread.Sleep(1000);
                --count;
            }
        }
    }
}

Thread类的第二个参数可以控制堆栈大小，堆栈大小的简介如下：

每个线程独立拥有一个可配置大小的堆栈，一个线程内所有函数使用到的堆栈都依赖于这个栈，如果太多的变量、参数需要使用栈，则可能导致栈溢出。目前基础平台子系统通过配置环境变量，将默认堆栈大小设置为128K，可以减少这个问题的出现，但业务系统在编码时仍然 需要注意栈的使用，避免出现问题。

    包括：
    1、不要在函数内部定义过大的局部变量，如过大的结构体变量，联合变量，过大的字符串，数组等；
    2、函数调用的深度也需要注意，如果函数 A 调用 B, B 再调用 C，而A/B/C每个函数定义了 10 K的局部变量，则总的栈空间需求将超过 30K；
    3、不要直接将大的结构变量通过函数参数传递，这样也会消耗栈空间，可以通过指针或者引用的方式传递；
    4、建议每个函数内部定义的变量大小控制在4－8K以下；
    5、如果在运行中 COREDUMP，并且通过 GDB 的 WHERE 命令时看到刚进入某个函数就报错，连函数内的第一条调试语句都无法指向，则基本可以认为是栈空间不够导致的，可以尝试将栈空间配置大一点，如果问题不再出现，则可以确定问题。这时需要按照前面几点的要求修改代码，减少栈的使用。 

前台线程和后台线程

所有前台线程关闭后，还有后台线程在运行的话，后台线程会全部关闭。

主线程和通过Thread构造函数创建的线程默认都是前台线程，线程池获取的则默认是后台线程，通过 IsBackground 属性可以设置和获取当前线程是前台线程还是后台线程。

执行优先级

Priority属性（ThreadPriority枚举）可以控制线程执行的优先级，高优先级的线程会优先执行。

同步

当多个线程同时对一个数据进行修改时，就会因为无法控制其访问顺序导致的无法预知的错误，我们看看下面的代码：

using System.Collections.Generic;
using System;
using System.Threading;

namespace Test
{
    public class Thread2
    {
        private List<int> _nums;

        public Thread2()
        {
            _nums = new List<int>();

            Thread thread1 = new Thread(ThreadFunc1);
            thread1.Start();

            Thread thread2 = new Thread(ThreadFunc2);
            thread2.Start();

            Console.WriteLine("线程已启动");

            Thread.Sleep(3000);

            string str = "";
            foreach (var item in _nums)
            {
                str += item + ", ";
            }
            Console.WriteLine(str);
        }

        private void ThreadFunc1()
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                AddNum(i);
            }
        }

        private void ThreadFunc2()
        {
            for (int i = 10; i < 20; i++)
            {
                AddNum(i);
            }
        }

        private void AddNum(int num)
        {
            _nums.Add(num);
        }
    }
}

输出如下：

0, 1, 2, 3, 14, 5, 6, 7, 8, 16, 17, 18, 19, 

我们发现，由于可能同时调用AddNum方法，会导致_nums中的顺序和数量都出现问题。

可以通过给AddNum方法加锁来解决两个线程同时访问同一块数据，加了lock代码块的代码，可以保证同一时刻只有一个线程会对其进行访问，如下：

using System.Collections.Generic;
using System;
using System.Threading;

namespace Test
{
    public class Thread2
    {
        private List<int> _nums;

        public Thread2()
        {
            _nums = new List<int>();

            Thread thread1 = new Thread(ThreadFunc1);
            thread1.Start();

            Thread thread2 = new Thread(ThreadFunc2);
            thread2.Start();

            Console.WriteLine("线程已启动");

            Thread.Sleep(3000);

            string str = "";
            foreach (var item in _nums)
            {
                str += item + ", ";
            }
            Console.WriteLine(str);
        }

        private void ThreadFunc1()
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                AddNum(i);
            }
        }

        private void ThreadFunc2()
        {
            for (int i = 10; i < 20; i++)
            {
                AddNum(i);
            }
        }

        private void AddNum(int num)
        {
            lock (this)
            {
                _nums.Add(num);
            }
        }
    }
}

看起来输出正常了，但是其实是每个线程的代码执行速度很快，所以看不出来线程的切换，如下：

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19,

下面我们在添加数字的地方加入一段比较耗时的方法，就会触发线程的切换了：

using System.Collections.Generic;
using System;
using System.Threading;

namespace Test
{
    public class Thread2
    {
        private List<int> _nums;

        public Thread2()
        {
            _nums = new List<int>();

            Thread thread1 = new Thread(ThreadFunc1);
            thread1.Start();

            Thread thread2 = new Thread(ThreadFunc2);
            thread2.Start();

            Console.WriteLine("线程已启动");

            Thread.Sleep(3000);

            string str = "";
            foreach (var item in _nums)
            {
                str += item + ", ";
            }
            Console.WriteLine(str);
        }

        private void ThreadFunc1()
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                AddNum(i);
            }
        }

        private void ThreadFunc2()
        {
            for (int i = 10; i < 20; i++)
            {
                AddNum(i);
            }
        }

        private void AddNum(int num)
        {
            lock (this)
            {
                _nums.Add(num);
                largeComputationalCost();
            }
        }

        private void largeComputationalCost()
        {
            for (int i = 0; i < 10000000; i++)
            {
            }
        }
    }
}

可以从结果看出来，数字的插入顺序是乱序的：

0, 1, 10, 2, 3, 11, 12, 4, 5, 13, 14, 15, 6, 7, 8, 16, 9, 17, 18, 19, 

lock

被lock标记的代码块，会被加锁，指定同一时刻，只有一个线程可以执行代码块中的代码，需要注意的是，lock可以带一个参数，该参数用于标记代码块的加锁状态。

下面我们简单的理解一下加锁参数的用法：

lock (this)
{
    // ...
}

• 代码运行到lock时，会先判断下this对象是否已经被标记已经被某个线程运行（注意只针对lock当前的代码块）；
• 如果没有任何线程在执行该代码块，则当前线程开始运行，并且标记this对象已经被当前线程运行；
• 如果正在某线程运行中，则阻塞等待那个线程执行完毕，其它线程执行完毕后，则当前线程开始运行，并且标记this对象已经被当前线程运行；
• 当前线程代码块执行完毕，标记this对象没有被任何线程运行；

对lock的参数加深理解

1. lock参数只能是引用类型，如果是值类型会怎样，我们看下面的例子：

int a = 1;
lock (a)
{
    // ...
}

因为每次运行到这里，都会是一个新的值类型a，所以其它的线程给这个值类型a打了加锁标记后，下一个线程运行到这里会发现值类型a仍然是没有加锁的，lock代码块就变得毫无意义，多个线程仍然可以同时访问。

2. 大部分的情况下，lock参数都是使用的this：

当然这是因为，大部分情况下，我们多线程操作的都是当前对象实例的成员变量，多个对象的实例相互之间不需要加锁。

我们也可以传递其它的引用实例来打加锁标记，但是需要注意只有相同的引用，才会保证只有一个线程访问lock代码块，我们看看下面比较极端的情况：

MyClass a = new MyClass();
lock (a)
{
    // ...
}

这种情况和使用值类型一样，因为每次执行都会产生一个新对象，所以加lock代码是没有意义的，多个线程仍然可以同时访问。

Monitor

lock代码块可以看做是Monitor的语法糖，在IL代码中lock会被翻译成Monitor，也就是Monitor.Enter(obj)和Monitor.Exit(obj)，如下：

lock (this)
{
    // ...
}
// 等同于下面这样
try
{
    Monitor.Enter(this);
    // ...
}
finally
{
    Monitor.Exit(this);
}

Monitor还额外提供了一些功能：

1. Monitor.TryEnter(obj, timespan)，超过timespan的时间之后，就不执行这段代码了，而lock会一直等待从而出现死锁。

2. Monitor.Wait()、Monitor.Pulse()和Monitor.PulseAll()，要弄清楚这3个方法的含义，需要先理解lock的下面的流程：

对于同一个被lock的对象，会有下面3个属性：

• 拥有锁的线程：当前正在执行的线程；
• 就绪队列(ready queue)：执行了lock、Monitor.Enter或Monitor.TryEnter的线程会放入该队列中，当拥有锁的线程释放锁之后，会让该队列中的下一个线程拥有锁并执行；
• 等待队列(wait queue)：放入该队列中的线程，不会在当拥有锁的线程释放锁之后让下一个执行，也不会加入到就绪队列中，会等待明确的指令来确定怎么处理队列中的线程；

明白了上面的3个属性后，就可以具体看这3个方法了：

• Monitor.Wait：将当前拥有锁的线程释放锁且阻塞，并将当前的线程添加到等待队列中；
• Monitor.Pulse：将等待队列中一个线程移到就绪队列中；
• Monitor.PulseAll：将等待队列中的所有线程都移到就绪队列中；

其它3种同步方式

下面说的3种同步方式都属于内核对象，利用内核对象进行进程或线程之间的同步，线程必须要在用户模式和内核模式间切换，所以一般效率较lock会低一些。

不同于Monitor，这3种同步方法都可以在任意的地方对线程进行等待或者运行的控制。

EventWaitHandler

EventWaitHandle 类允许线程通过发信号互相通信。通常，一个或多个线程在 EventWaitHandle 上阻止，直到一个未阻止的线程调用 Set 方法，以释放一个或多个被阻止的线程。

Semaphore

类似互斥锁，但它可以允许多个线程同时访问一个共享资源，通过使用一个计数器来控制对共享资源的访问，如果计数器大于0，就允许访问，如果等于0，就拒绝访问。计数器累计的是“许可证”的数目，为了访问某个资源。线程必须从信号量获取一个许可证。

Mutex

Mutex类似于一个接力棒，拿到接力棒的线程才可以开始跑，当然接力棒一次只属于一个线程(Thread Affinity)，如果这个线程不释放接力棒(Mutex.ReleaseMutex)，那么没办法，其他所有需要接力棒运行的线程都知道能等着看热闹。

死锁

当一个或多个进程等待系统资源，而资源又被进程本身或其它进程占用时，就形成了死锁。总的来说，就是两个线程，都需要获取对方锁占有的锁，才能够接着往下执行，但是这两个线程互不相让，你等我先释放，我也等你先释放，但谁都不肯先放，就一直在这僵持住了。

我们看一个简单的示例：

using System;
using System.Threading;

namespace Test
{
    public class Thread3
    {
        private Object obj1 = new object();
        private Object obj2 = new object();

        public Thread3()
        {
            Thread thread1 = new Thread(ThreadFunc1);
            thread1.Start();

            Thread thread2 = new Thread(ThreadFunc2);
            thread2.Start();
        }

        private void ThreadFunc1()
        {
            lock (obj1)
            {
                Console.WriteLine("开始执行方法一");
                Thread.Sleep(1000);
                lock (obj2)
                {
                    Console.WriteLine("方法一执行完毕");
                }
            }
        }

        private void ThreadFunc2()
        {
            lock (obj2)
            {
                Console.WriteLine("开始执行方法二");
                Thread.Sleep(1000);
                lock (obj1)
                {
                    Console.WriteLine("方法二执行完毕");
                }
            }
        }
    }
}

输出如下：

开始执行方法一
开始执行方法二

避免死锁可以有下面几个方法：

1. 应该尽量避免大量嵌套的锁的使用；
2. 可以使用锁的超时机制来避免对资源的长时间占用；
3. 通过逻辑上的检查来避免死锁；

线程池

线程池（ThreadPool）有下面几个特点：

• 线程池中所有线程都是后台线程，如果进程的所有前台线程都结束了，所有的后台线程就会停止。不能把入池的线程改为前台线程。
• 不能给入池的线程设置优先级或名称。
• 入池的线程只能用于时间较短的任务。如果线程要一直运行(如Word的拼写检查器线程),就应使用Thread类创建一个线程。
• 一个进程有且只能管理一个线程池。
• 当进程启动时，线程池并不会自动创建。当第一次将回调方法排入队列（比如调用ThreadPool.QueueUserWorkItem方法）时才会创建线程池。
• 在对一个工作项进行排队之后将无法取消它。
• 线程池中线程在完成任务后并不会自动销毁，它会以挂起的状态返回线程池，如果应用程序再次向线程池发出请求，那么这个挂起的线程将激活并执行任务，而不会创建新线程，这将节约了很多开销。
• 只有线程达到最大线程数量，系统才会以一定的算法销毁回收线程。

不适合使用线程池的情形包括：

• 如果需要使一个任务具有特定的优先级。
• 如果具有可能会长时间运行（并因此阻塞其他任务）的任务。
• 如果需要将线程放置到单线程单元中（线程池中的线程均处于多线程单元中）。
• 如果需要用永久标识来标识和控制线程，比如想使用专用线程来中止该线程，将其挂起或按名称发现它。
• 如果您需要运行与用户界面交互的后台线程，.NET Framework 2.0 版提供了 BackgroundWorker 组件，该组件可以使用事件与用户界面线程的跨线程封送进行通信。

线程池的优势：

• 可以避免创建和销毁消除的开支，从而可以实现更好的性能和系统稳定性。
• 把线程交给系统进行管理，程序员不需要费力于线程管理，可以集中精力处理应用程序任务。

我们看一个简单的示例：

using System;
using System.Threading;

namespace Test
{
    public class Thread4
    {
        public Thread4()
        {
            ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(ThreadFunc), 10);
            ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(ThreadFunc), 15);

            // 避免程序退出
            Thread.Sleep(5000);
        }

        private void ThreadFunc(object o)
        {
            for (int i = 0; i < (int)o; i++)
            {
                Thread.Sleep(100);
            }
            Console.WriteLine("线程已执行完毕 " + o);
        }
    }
}

输出如下：

线程已执行完毕 10
线程已执行完毕 15

Task

ThreadPool存在一些使用上的不便，比如：

• ThreadPool不支持线程的取消、完成、失败通知等交互性操作；
• ThreadPool不支持线程执行的先后次序；

而Task在线程池的基础上进行了优化，并提供了更多的API。

我们看一个简单的例子：

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace Test
{
    public class Thread5
    {
        public Thread5()
        {
            Task t = new Task(() =>
            {
                Console.WriteLine("任务开始工作……");
                // 模拟工作过程
                Thread.Sleep(5000);
            });
            t.Start();
            t.ContinueWith((task) =>
            {
                Console.WriteLine("任务完成，完成时候的状态为：");
                Console.WriteLine("IsCanceled={0}\tIsCompleted={1}\tIsFaulted={2}", task.IsCanceled, task.IsCompleted, task.IsFaulted);
            });

            // 避免程序退出
            Thread.Sleep(6000);
        }
    }
}

输出如下：

任务开始工作……
任务完成，完成时候的状态为：
IsCanceled=False    IsCompleted=True    IsFaulted=False

Parallel

Parallel类提供了数据和任务的并行性；

我们主要看下其For方法的使用，类似于C#的for循环语句，也是多次执行一个任务。使用Paraller.For()方法，可以并行运行迭代，迭代的顺序是乱序的。

我们直接看一个例子：

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace Test
{
    public class Thread6
    {
        public Thread6()
        {
            ParallelLoopResult result = Parallel.For(0, 10, new ParallelOptions() { MaxDegreeOfParallelism = 10 }, i =>
            {
                Console.WriteLine("迭代次数：{0}, 任务ID:{1}, 线程ID:{2}", i, Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
                Thread.Sleep(10);
            });
            Console.WriteLine("是否完成:{0}", result.IsCompleted);
        }
    }
}

输出如下：

迭代次数：2, 任务ID:2, 线程ID:6
迭代次数：0, 任务ID:5, 线程ID:1
迭代次数：1, 任务ID:1, 线程ID:4
迭代次数：3, 任务ID:3, 线程ID:5
迭代次数：4, 任务ID:4, 线程ID:7
迭代次数：7, 任务ID:5, 线程ID:1
迭代次数：6, 任务ID:4, 线程ID:7
迭代次数：5, 任务ID:1, 线程ID:4
迭代次数：8, 任务ID:2, 线程ID:6
迭代次数：9, 任务ID:3, 线程ID:5
是否完成:True

Unity中使用多线程

和C#中使用完全一致，需要注意的是，子线程不能操作和访问Unity的任何对象，需要通过发送消息到主线程来实现控制。