.NET多线程学习（1）

在.NET多线程编程这个系列我们讲一起来探讨多线程编程的各个方面。首先我将在本篇文章的开始向大家介绍多线程的有关概念以及多线程编程的基础知识;在接下来的文章中,我将逐一讲述。NET平台上多线程编程的知识,诸如System.Threading命名空间的重要类以及方法,并就一些例子程序来作说明。 



引言



早期的计算硬件十分复杂,但是操作系统执行的功能确十分的简单。那个时候的操作系统在任一时间点只能执行一个任务,也就是同一时间只能执行一个程序。多个任务的执行必须得轮流执行,在系统里面进行排队等候。由于计算机的发展,要求系统功能越来越强大，这个时候出现了分时操作的概念：每个运行的程序占有一定的处理机时间,当这个占有时间结束后,在等待队列等待处理器资源的下一个程序就开始投入运行。注意这里的程序在占有一定的处理器时间后并没有运行完毕，可能需要再一次或多次分配处理器时间。那么从这里可以看出，这样的执行方式显然是多个程序的并行执行，但是在宏观上，我们感觉到多个任务是同时执行的，因此多任务的概念就诞生了。每个运行的程序都有自己的内存空间,自己的堆栈和环境变量设置。每一个程序对应一个进程，代表着执行一个大的任务。一个进程可以启动另外一个进程,这个被启动的进程称为子进程。父进程和子进程的执行只有逻辑上的先后关系，并没有其他的关系，也就是说他们的执行是独立的。但是，可能一个大的程序（代表着一个大的任务）,可以分割成很多的小任务，为了功能上的需要也有可能是为了加快运行的速度，可能需要同一时间执行多个任务(每个任务分配一个多线程来执行相应的任务)。举个例子来说,你正在通过你的web浏览器查看一些精彩的文章，你需要把好的文章给下载下来，可能有些非常精彩的文章你需要收藏起来，你就用你的打印机打印这些在线的文章。在这里，浏览器一边下载HTML格式的文章，一边还要打印文章。这就是一个程序同时执行多个任务，每个任务分配一个线程来完成。因此我们可以看出一个程序同时执行多个任务的能力是通过多线程来实现的。



多线程VS多任务



正如上面所说的,多任务是相对与操作系统而言,指的是同一时间执行多个程序的能力,虽然这么说,但是实际上在只有一个CPU的条件下不可能同时执行两个以上的程序。CPU在程序之间做高速的切换,使得所有的程序在很短的时间之内可以得到更小的CPU时间,这样从用户的角度来看就好象是同时在执行多个程序。多线程相对于操作系统而言,指的是可以同时执行同一个程序的不同部分的能力,每个执行的部分被成为线程。所以在编写应用程序时,我们必须得很好的设计以 避免不同的线程执行时的相互干扰。这样有助于我们设计健壮的程序,使得我们可以在随时需要的时候添加线程。



线程的概念



线程可以被描述为一个微进程,它拥有起点,执行的顺序系列和一个终点。它负责维护自己的堆栈,这些堆栈用于异常处理,优先级调度和其他一些系统重新恢复线程执行时需要的信息。从这个概念看来，好像线程与进程没有任何的区别，实际上线程与进程是肯定有区别的：

一个完整的进程拥有自己独立的内存空间和数据,但是同一个进程内的线程是共享内存空间和数据的。一个进程对应着一段程序,它是由一些在同一个程序里面独立的同时的运行的线程组成的。线程有时也被称为并行运行在程序里的轻量级进程,线程被称为是轻量级进程是因为它的运行依赖与进程提供的上下文环境,并且使用的是进程的资源。

在一个进程里,线程的调度有抢占式或者非抢占的模式。

在抢占模式下，操作系统负责分配ＣＰＵ时间给各个进程，一旦当前的进程使用完分配给自己的ＣＰＵ时间，操作系统将决定下一个占用ＣＰＵ时间的是哪一个线程。因此操作系统将定期的中断当前正在执行的线程，将ＣＰＵ分配给在等待队列的下一个线程。所以任何一个线程都不能独占ＣＰＵ。每个线程占用ＣＰＵ的时间取决于进程和操作系统。进程分配给每个线程的时间很短,以至于我们感觉所有的线程是同时执行的。实际上,系统运行每个进程的时间有2毫秒,然后调度其他的线程。它同时他维持着所有的线程和循环,分配很少量的ＣＰＵ时间给线程。 线程的的切换和调度是如此之快,以至于感觉是所有的线程是同步执行的。



调度是什么意思?调度意味着处理器存储着将要执行完ＣＰＵ时间的进程的状态和将来某个时间装载这个进程的状态而恢复其运行。然而这种方式也有不足之处,一个线程可以在任何给定的时间中断另外一个线程的执行。假设一个线程正在向一个文件做写操作,而另外一个线程中断其运行,也向同一个文件做写操作。 Windows 95/NT, UNIX使用的就是这种线程调度方式。

在非抢占的调度模式下,每个线程可以需要ＣＰＵ多少时间就占用ＣＰＵ多少时间。在这种调度方式下,可能一个执行时间很长的线程使得其他所有需要ＣＰＵ的线程”饿死”。在处理机空闲，即该进程没有使用ＣＰＵ时，系统可以允许其他的进程暂时使用ＣＰＵ。占用ＣＰＵ的线程拥有对ＣＰＵ的控制权，只有它自己主动释放ＣＰＵ时，其他的线程才可以使用ＣＰＵ。一些I/O和Windows 3。x就是使用这种调度策略。

在有些操作系统里面，这两种调度策略都会用到。非抢占的调度策略在线程运行优先级一般时用到，而对于高优先级的线程调度则多采用抢占式的调度策略。如果你不确定系统采用的是那种调度策略，假设抢占的调度策略不可用是比较安全的。在设计应用程序的时候，我们认为那些占用ＣＰＵ时间比较多的线程在一定的间隔是会释放ＣＰＵ的控制权的，这时候系统会查看那些在等待队列里面的与当前运行的线程同一优先级或者更高的优先级的线程，而让这些线程得以使用ＣＰＵ。如果系统找到一个这样的线程，就立即暂停当前执行的线程和激活满足条件的线程。如果没有找到同一优先级或更高级的线程，当前线程还继续占有ＣＰＵ。当正在执行的线程想释放ＣＰＵ的控制权给一个低优先级的线程，当前线程就转入睡眠状态而让低优先级的线程占有ＣＰＵ。

在多处理器系统，操作系统会将这些独立的线程分配给不同的处理器执行，这样将会大大的加快程序的运行。线程执行的效率也会得到很大的提高，因为将线程的分时共享单处理器变成了分布式的多处理器执行。这种多处理器在三维建模和图形处理是非常有用的。



需要多线程吗



我们发出了一个打印的命令，要求打印机进行打印任务，假设这时候计算机停止了响应而打印机还在工作，那岂不是我们的停止手上的事情就等着这慢速的打印机打印？所幸的是，这种情况不会发生，我们在打印机工作的时候还可以同时听音乐或者画图。因为我们使用了独立的多线程来执行这些任务。你可能会对多个用户同时访问数据库或者web服务器感到吃惊，他们是怎么工作的？这是因为为每个连接到数据库或者web服务器的用户建立了独立的线程来维护用户的状态。如果一个程序的运行有一定的顺序，这时候采用这种方式可能会出现问题，甚至导致整个程序崩溃。如果程序可以分成独立的不同的任务，使用多线程，即使某一部分任务失败了，对其他的也没有影响，不会导致整个程序崩溃。



毫无疑问的是，编写多线程程序使得你有了一个利器可以驾奴非多线程的程序，但是多线程也可能成为一个负担或者需要不小的代价。如果使用的不当，会带来更多的坏处。如果一个程序有很多的线程，那么其他程序的线程必然只能占用更少的ＣＰＵ时间；而且大量的ＣＰＵ时间是用于线程调度的；操作系统也需要足够的内存空间来维护每个线程的上下文信息；因此，大量的线程会降低系统的运行效率。因此，如果使用多线程的话，程序的多线程必须设计的很好，否则带来的好处将远小于坏处。因此使用多线程我们必须小心的处理这些线程的创建，调度和释放工作。



多线程程序设计提示



有多种方法可以设计多线程的应用程序。正如后面的文章所示，我将给出详细的编程示例，通过这些例子，你将可以更好的理解多线程。线程可以有不同的优先级，举例子来说，在我们的应用程序里面，绘制图形或者做大量运算的同时要接受用户的输入，显然用户的输入需要得到第一时间的响应，而图形绘制或者运算则需要大量的时间，暂停一下问题不大，因此用户输入线程将需要高的悠闲级，而图形绘制或者运算低优先级即可。这些线程之间相互独立，相互不影响。

在上面的例子中，图形绘制或者大量的运算显然是需要站用很多的ＣＰＵ时间的，在这段时间，用户没有必要等着他们执行完毕再输入信息，因此我们将程序设计成独立的两个线程，一个负责用户的输入，一个负责处理那些耗时很长的任务。这将使得程序更加灵活，能够快速响应。同时也可以使得用户在运行的任何时候取消任务的可能。在这个绘制图形的例子中，程序应该始终负责接收系统发来的消息。如果由于程序忙于一个任务，有可能会导致屏幕变成空白，这显然需要我们的程序来处理这样的事件。所以我必须得有一个线程负责来处理这些消息，正如刚才所说的应该触发重画屏幕的工作。

我们应该把握一个原则，对于那些对时间要求比较紧迫需要立即得到相应的任务，我们因该给予高的优先级，而其他的线程优先级应该低于她的优先级。侦听客户端请求的线程应该始终是高的优先级，对于一个与用户交互的用户界面的任务来说，它需要得到第一时间的响应，其优先级因该高优先级。

毛毛的小窝

在接下来的这篇文章中,我将向大家介绍.NET中的线程API,怎么样用C#创建线程,启动和停止线程,设置优先级和状态.

在.NET中编写的程序将被自动的分配一个线程.让我们来看看用C#编程语言创建线程并且继续学习线程的知识。我们都知道.NET的运行时环境的主线程由Main ()方法来启动应用程序，而且.NET的编译语言有自动的垃圾收集功能,这个垃圾收集发生在另外一个线程里面,所有的这些都是后台发生的,让我们无法感觉到发生了什么事情.在这里默认的是只有一个线程来完成所有的程序任务，但是正如我们在第一篇文章讨论过的一样，有可能我们根据需要自己添加更多的线程让程序更好的协调工作。比如说我们的例子中，一个有用户输入的同时需要绘制图形或者完成大量的运算的程序，我们必须得增加一个线程，让用户的输入能够得到及时的响应，因为输入对时间和响应的要求是紧迫的，而另外一个线程负责图形绘制或者大量的运算。

.NET 基础类库的System.Threading命名空间提供了大量的类和接口支持多线程。这个命名空间有很多的类，我们将在这里着重讨论Thread这个类。

System.Threading.Thread类是创建并控制线程，设置其优先级并获取其状态最为常用的类。他有很多的方法，在这里我们将就比较常用和重要的方法做一下介绍：

Thread.Start（）：启动线程的执行；

Thread.Suspend（）：挂起线程，或者如果线程已挂起，则不起作用；

Thread.Resume（）：继续已挂起的线程；

Thread.Interrupt（）：中止处于 Wait或者Sleep或者Join 线程状态的线程；

Thread.Join（）：阻塞调用线程，直到某个线程终止时为止

Thread.Sleep（）：将当前线程阻塞指定的毫秒数；

Thread.Abort（）：以开始终止此线程的过程。如果线程已经在终止，则不能通过Thread.Start（）来启动线程。

通过调用Thread.Sleep，Thread.Suspend或者Thread.Join可以暂停/阻塞线程。调用Sleep()和Suspend()方法意味着线程将不再得到CPU时间。这两种暂停线程的方法是有区别的，Sleep()使得线程立即停止执行，但是在调用Suspend()方法之前，公共语言运行时必须到达一个安全点。一个线程不能对另外一个线程调用Sleep()方法，但是可以调用Suspend()方法使得另外一个线程暂停执行。对已经挂起的线程调用Thread.Resume（）方法会使其继续执行。不管使用多少次Suspend()方法来阻塞一个线程，只需一次调用Resume()方法就可以使得线程继续执行。已经终止的和还没有开始执行的线程都不能使用挂起。Thread.Sleep（int x）使线程阻塞x毫秒。只有当该线程是被其他的线程通过调用Thread.Interrupt（）或者Thread.Abort（）方法，才能被唤醒。如果对处于阻塞状态的线程调用Thread.Interrupt（）方法将使线程状态改变，但是会抛出ThreadInterupptedException异常，你可以捕获这个异常并且做出处理，也可以忽略这个异常而让运行时终止线程。在一定的等待时间之内，Thread.Interrupt（）和Thread.Abort（）都可以立即唤醒一个线程。

下面我们将说明如何从一个线程中止另外一个线程。在这种情况下，我们可以通过使用Thread.Abort（）方法来永久销毁一个线程，而且将抛出ThreadAbortException异常。使终结的线程可以捕获到异常但是很难控制恢复，仅有的办法是调用Thread.ResetAbort（）来取消刚才的调用，而且只有当这个异常是由于被调用线程引起的异常。因此，A线程可以正确的使用Thread.Abort（）方法作用于B线程，但是B线程却不能调用Thread.ResetAbort（）来取消Thread.Abort（）操作。Thread.Abort（）方法使得系统悄悄的销毁了线程而且不通知用户。一旦实施Thread.Abort（）操作，该线程不能被重新启动。调用了这个方法并不是意味着线程立即销毁，因此为了确定线程是否被销毁，我们可以调用Thread.Join（）来确定其销毁，Thread.Join（）是一个阻塞调用，直到线程的确是终止了才返回。但是有可能一个线程调用Thread.Interrupt（）方法来中止另外一个线程，而这个线程正在等待Thread.Join（）调用的返回。

尽可能的不要用Suspend()方法来挂起阻塞线程，因为这样很容易造成死锁。假设你挂起了一个线程，而这个线程的资源是其他线程所需要的，会发生什么后果。因此，我们尽可能的给重要性不同的线程以不同的优先级，用Thread.Priority（）方法来代替使用Thread.Suspend（）方法。

Thread类有很多的属性，这些重要的属性是我们多线程编程必须得掌握的。

Thread.IsAlive属性：获取一个值，该值指示当前线程的执行状态。如果此线程已启动并且尚未正常终止或中止，则为 true；否则为 false。

Thread.Name 属性：获取或设置线程的名称。

Thread.Priority 属性：获取或设置一个值，该值指示线程的调度优先级。
Thread.ThreadState 属性：获取一个值，该值包含当前线程的状态。
在下面的例子中，我们将看看怎么设置这些属性，在随后的例子中我们将详细的讨论这些属性。
创建一个线程，首先得实例化一个Thread类，在类得构造函数中调用ThreadStart委派。这个委派包含了线程从哪里开始执行。当线程启动后，Start()方法启动一个新的线程。下面是例子程序。
using System;
using System.Threading ;
namespace LearnThreads
{

class Thread_App
{
public static void First_Thread()
{
Console.WriteLine("First thread created");
Thread current_thread = Thread.CurrentThread;
string thread_details = "Thread Name: " + current_thread.Name +
"\r\nThread State: " + current_thread.ThreadState.ToString()+
"\r\n Thread Priority level:"+current_thread.Priority.ToString();
Console.WriteLine("The details of the thread are :"+ thread_details);
Console.WriteLine ("first thread terminated");
}
public static void Main()
{
ThreadStart thr_start_func = new ThreadStart (First_Thread);
Console.WriteLine ("Creating the first thread ");
Thread fThread = new Thread (thr_start_func);
fThread.Name = "first_thread";
fThread.Start (); //starting the thread
}
}
}
在这个例子中，创建了一个fThread的线程对象，这个线程负责执行First_Thread()方法里面的任务。当Thread的Start() 方法被调用时包含First_Thread()的地址ThreadStart的代理将被执行。
Thread状态
System.Threading.Thread.ThreadState属性定义了执行时线程的状态。线程从创建到线程终止，它一定处于其中某一个状态。当线程被创建时，它处在Unstarted状态，Thread类的Start() 方法将使线程状态变为Running状态，线程将一直处于这样的状态，除非我们调用了相应的方法使其挂起、阻塞、销毁或者自然终止。如果线程被挂起，它将处于Suspended状态，除非我们调用resume（）方法使其重新执行，这时候线程将重新变为Running状态。一旦线程被销毁或者终止，线程处于Stopped状态。处于这个状态的线程将不复存在，正如线程开始启动，线程将不可能回到Unstarted状态。线程还有一个Background状态，它表明线程运行在前台还是后台。在一个确定的时间，线程可能处于多个状态。据例子来说，一个线程被调用了Sleep而处于阻塞，而接着另外一个线程调用Abort方法于这个阻塞的线程，这时候线程将同时处于WaitSleepJoin和AbortRequested状态。一旦线程响应转为Sle阻塞或者中止，当销毁时会抛出ThreadAbortException异常。
线程优先级
System.Threading.Thread.Priority枚举了线程的优先级别，从而决定了线程能够得到多少CPU时间。高优先级的线程通常会比一般优先级的线程得到更多的CPU时间，如果不止一个高优先级的线程，操作系统将在这些线程之间循环分配CPU时间。低优先级的线程得到的CPU时间相对较少，当这里没有高优先级的线程，操作系统将挑选下一个低优先级 的线程执行。一旦低优先级的线程在执行时遇到了高优先级的线程，它将让出CPU给高优先级的线程。新创建的线程优先级为一般优先级，我们可以设置线程的优先级别的值，如下面所示：
Highest 
AboveNormal 
Normal 
BelowNormal 
Lowest 
结论：在这一部分，我们讨论了线程的创建何线程的优先级。System.Threading命名空间还包含了线程锁定、线程同步何通讯、多线程管理类以及死锁解决等等高级特性，在后面的部分我们将继续讨论这些内容。

毛毛的小窝