[ZT]C#的多线程机制探索(1)

注：本文中出现的代码均在.net Framework RC3环境中运行通过

　　一.多线程的概念

Windows是一个多任务的系统，如果你使用的是windows 2000及其以上版本，你可以通过任务管理器查看当前系统运行的程序和进程。什么是进程呢？当一个程序开始运行时，它就是一个进程，进程所指包括运行中的程序和程序所使用到的内存和系统资源。而一个进程又是由多个线程所组成的，线程是程序中的一个执行流，每个线程都有自己的专有寄存器(栈指针、程序计数器等)，但代码区是共享的，即不同的线程可以执行同样的函数。多线程是指程序中包含多个执行流，即在一个程序中可以同时运行多个不同的线程来执行不同的任务，也就是说允许单个程序创建多个并行执行的线程来完成各自的任务。浏览器就是一个很好的多线程的例子,在浏览器中你可以在下载JAVA小应用程序或图象的同时滚动页面,在访问新页面时,播放动画和声音,打印文件等。

多线程的好处在于可以提高CPU的利用率——任何一个程序员都不希望自己的程序很多时候没事可干，在多线程程序中，一个线程必须等待的时候，CPU可以运行其它的线程而不是等待，这样就大大提高了程序的效率。

然而我们也必须认识到线程本身可能影响系统性能的不利方面，以正确使用线程：

• 线程也是程序，所以线程需要占用内存，线程越多占用内存也越多
• 多线程需要协调和管理，所以需要CPU时间跟踪线程
• 线程之间对共享资源的访问会相互影响，必须解决竞用共享资源的问题
• 线程太多会导致控制太复杂，最终可能造成很多Bug

基于以上认识，我们可以一个比喻来加深理解。假设有一个公司，公司里有很多各司其职的职员，那么我们可以认为这个正常运作的公司就是一个进程，而公司里的职员就是线程。一个公司至少得有一个职员吧，同理，一个进程至少包含一个线程。在公司里，你可以一个职员干所有的事，但是效率很显然是高不起来的，一个人的公司也不可能做大；一个程序中也可以只用一个线程去做事，事实上，一些过时的语言如fortune,basic都是如此，但是象一个人的公司一样，效率很低，如果做大程序，效率更低——事实上现在几乎没有单线程的商业软件。公司的职员越多，老板就得发越多的薪水给他们，还得耗费大量精力去管理他们，协调他们之间的矛盾和利益；程序也是如此，线程越多耗费的资源也越多，需要CPU时间去跟踪线程，还得解决诸如死锁，同步等问题。总之，如果你不想你的公司被称为“皮包公司”，你就得多几个员工；如果你不想让你的程序显得稚气，就在你的程序里引入多线程吧！

本文将对C#编程中的多线程机制进行探讨，通过一些实例解决对线程的控制，多线程间通讯等问题。为了省去创建GUI那些繁琐的步骤，更清晰地逼近线程的本质，下面所有的程序都是控制台程序，程序最后的Console.ReadLine()是为了使程序中途停下来，以便看清楚执行过程中的输出。

好了，废话少说，让我们来体验一下多线程的C#吧！

　　二.操纵一个线程

任何程序在执行时，至少有一个主线程，下面这段小程序可以给读者一个直观的印象：

//SystemThread.cs
using System;
using System.Threading;

namespace ThreadTest
{
　　class RunIt
　　{
　　　　[STAThread]
　　　　static void Main(string[] args)
　　　　{
　　　　　　Thread.CurrentThread.Name="System Thread";//给当前线程起名为"System Thread"
Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name+"'Status:"+Thread.CurrentThread.ThreadState);
　　　　　　Console.ReadLine();
　　　　}
　　}
}

编译执行后你看到了什么？是的，程序将产生如下输出：

System Thread's Status:Running

在这里，我们通过Thread类的静态属性CurrentThread获取了当前执行的线程，对其Name属性赋值“System Thread”，最后还输出了它的当前状态（ThreadState）。所谓静态属性，就是这个类所有对象所公有的属性，不管你创建了多少个这个类的实例，但是类的静态属性在内存中只有一个。很容易理解CurrentThread为什么是静态的——虽然有多个线程同时存在，但是在某一个时刻，CPU只能执行其中一个。

就像上面程序所演示的，我们通过Thread类来创建和控制线程。注意到程序的头部，我们使用了如下命名空间：

using System;
using System.Threading;

在.net framework class library中，所有与多线程机制应用相关的类都是放在System.Threading命名空间中的。其中提供Thread类用于创建线程，ThreadPool类用于管理线程池等等，此外还提供解决了线程执行安排，死锁，线程间通讯等实际问题的机制。如果你想在你的应用程序中使用多线程，就必须包含这个类。Thread类有几个至关重要的方法，描述如下：

• Start():启动线程
• Sleep(int):静态方法，暂停当前线程指定的毫秒数
• Abort():通常使用该方法来终止一个线程
• Suspend()：该方法并不终止未完成的线程，它仅仅挂起线程，以后还可恢复。
• Resume():恢复被Suspend()方法挂起的线程的执行

1

下面我们就动手来创建一个线程，使用Thread类创建线程时，只需提供线程入口即可。线程入口使程序知道该让这个线程干什么事，在C#中，线程入口是通过ThreadStart代理（delegate）来提供的，你可以把ThreadStart理解为一个函数指针，指向线程要执行的函数，当调用Thread.Start()方法后，线程就开始执行ThreadStart所代表或者说指向的函数。

打开你的VS.net，新建一个控制台应用程序（Console Application），下面这些代码将让你体味到完全控制一个线程的无穷乐趣！

//ThreadTest.cs

using System;
using System.Threading;

namespace ThreadTest
{
　　public class Alpha
　　　　{
　　　　　　public void Beta()
　　　　　　{
　　　　　　　　while (true)
　　　　　　　　{
　　　　　　　　　　Console.WriteLine("Alpha.Beta is running in its own thread.");
　　　　　　　　}
　　　　　　}
　　　　};

　　　　public class Simple
　　　　{
　　　　　　public static int Main()
　　　　　　{
　　　　　　　　Console.WriteLine("Thread Start/Stop/Join Sample");

　　　　　　　　Alpha oAlpha = new Alpha();
　　　　　　　　file://这里创建一个线程，使之执行Alpha类的Beta()方法
　　　　　　　　Thread oThread = new Thread(new ThreadStart(oAlpha.Beta));
　　　　　　　　oThread.Start();
　　　　　　　　while (!oThread.IsAlive);
　　　　　　　　Thread.Sleep(1);
　　　　　　　　oThread.Abort();
　　　　　　　　oThread.Join();
　　　　　　　　Console.WriteLine();
　　　　　　　　Console.WriteLine("Alpha.Beta has finished");
　　　　　　　　try
　　　　　　　　{
　　　　　　　　　　Console.WriteLine("Try to restart the Alpha.Beta thread");
　　　　　　　　　　oThread.Start();
　　　　　　　　}
　　　　　　　　catch (ThreadStateException)
　　　　　　　　{
　　　　　　　　　　Console.Write("ThreadStateException trying to restart Alpha.Beta. ");
　　　　　　　　　　Console.WriteLine("Expected since aborted threads cannot be restarted.");
　　　　　　　　　　Console.ReadLine();
　　　　　　　　}
　　　　　　　　return 0;
　　　　　　}
　　　　}
　　}

这段程序包含两个类Alpha和Simple，在创建线程oThread时我们用指向Alpha.Beta()方法的初始化了ThreadStart代理（delegate）对象，当我们创建的线程oThread调用oThread.Start()方法启动时，实际上程序运行的是Alpha.Beta()方法：

Alpha oAlpha = new Alpha();
　　Thread oThread = new Thread(new ThreadStart(oAlpha.Beta));
　　oThread.Start();

然后在Main()函数的while循环中，我们使用静态方法Thread.Sleep()让主线程停了1ms，这段时间CPU转向执行线程oThread。然后我们试图用Thread.Abort()方法终止线程oThread，注意后面的oThread.Join()，Thread.Join()方法使主线程等待，直到oThread线程结束。你可以给Thread.Join()方法指定一个int型的参数作为等待的最长时间。之后，我们试图用Thread.Start()方法重新启动线程oThread，但是显然Abort()方法带来的后果是不可恢复的终止线程，所以最后程序会抛出ThreadStateException异常。

程序最后得到的结果将如下图：

 

在这里我们要注意的是其它线程都是依附于Main()函数所在的线程的，Main()函数是C#程序的入口，起始线程可以称之为主线程，如果所有的前台线程都停止了，那么主线程可以终止，而所有的后台线程都将无条件终止。而所有的线程虽然在微观上是串行执行的，但是在宏观上你完全可以认为它们在并行执行。

读者一定注意到了Thread.ThreadState这个属性，这个属性代表了线程运行时状态，在不同的情况下有不同的值，于是我们有时候可以通过对该值的判断来设计程序流程。ThreadState在各种情况下的可能取值如下：

• Aborted：线程已停止
• AbortRequested：线程的Thread.Abort()方法已被调用，但是线程还未停止
• Background：线程在后台执行，与属性Thread.IsBackground有关
• Running：线程正在正常运行
• Stopped：线程已经被停止
• StopRequested：线程正在被要求停止
• Suspended：线程已经被挂起（此状态下，可以通过调用Resume()方法重新运行）
• SuspendRequested：线程正在要求被挂起，但是未来得及响应
• Unstarted：未调用Thread.Start()开始线程的运行
• WaitSleepJoin：线程因为调用了Wait(),Sleep()或Join()等方法处于封锁状态

上面提到了Background状态表示该线程在后台运行，那么后台运行的线程有什么特别的地方呢？其实后台线程跟前台线程只有一个区别，那就是后台线程不妨碍程序的终止。一旦一个进程所有的前台线程都终止后，CLR（通用语言运行环境）将通过调用任意一个存活中的后台进程的Abort()方法来彻底终止进程。

当线程之间争夺CPU时间时，CPU按照是线程的优先级给予服务的。在C#应用程序中，用户可以设定5个不同的优先级，由高到低分别是Highest，AboveNormal，Normal，BelowNormal，Lowest，在创建线程时如果不指定优先级，那么系统默认为ThreadPriority.Normal。给一个线程指定优先级
，我们可以使用如下代码：

//设定优先级为最低
myThread.Priority=ThreadPriority.Lowest;

通过设定线程的优先级，我们可以安排一些相对重要的线程优先执行，例如对用户的响应等等。

现在我们对怎样创建和控制一个线程已经有了一个初步的了解，下面我们将深入研究线程实现中比较典型的的问题，并且探讨其解决方法。