.net多线程
摘要：.Net提供了许多多线程编程工具,可能是因为太多了,所以掌握起来总是有一些头疼,我在这里讲讲我总结的一些多线程编程的经验,希望对大家有帮助。
1.多线程的总结
不需要传递参数,也不需要返回参数
我们知道启动一个线程最直观的办法是使用Thread类,具体步骤如下：
public void test() { ThreadStart threadStart = new ThreadStart(Calculate); Thread thread = new Thread(threadStart); thread.Start(); } public void Calculate() { double Diameter = 0.5; Console.Write("The perimeter Of Circle with a Diameter of {0} is {1}", Diameter, Diameter * Math.PI); }
例1
上面我们用定义了一个ThreadStart类型的委托,这个委托制定了线程需要执行的方法:Calculate,在这个方法里计算了一个直径为0.5的 圆的周长,并输出.这就构成了最简单的多线程的例子,在很多情况下这就够用了,然后ThreadStart这个委托定义为void ThreadStart(),也就是说,所执行的方法不能有参数,这显然是个很大的不足,为了弥补这个缺陷,聪明的程序员想出了许多好的方法,我们将在需 要传递多个参数一节中进行介绍,这里我们先介绍.Net为了解决这个问题而设定的另外一个委托:就是ParameterizedThreadStart ,我会在下面详细讲述。
需要传递单个参数
public void test { //ParameterThreadStart的定义为void ParameterizedThreadStart(object state) //使用这个这个委托定义的线程的启动函数可以接受一个输入参数,具体例子如下 ParameterizedThreadStart threadStart=new ParameterizedThreadStart(Calculate); Thread thread=new Thread(threadStart); thread.Start(0.9); } public void Calculate(object arg) { double Diameter=double(arg); Console.Write("The perimeter Of Circle with a Diameter of {0} is {1}", Diameter,Diameter*Math.PI); }
例2
Calculate方法有一个为object类型的参数,虽然只有一个参数,而且还是object类型的,使用的时候尚需要类型转换,但是好在可以有参数了,并且通过把多个参数组合到一个类中,然后把这个类的实例作为参数传递,就可以实现多个参数传递。
需要传递多个参数
虽然通过把需要的参数包装到一个类中,委托ParameterizedThreadStart就可以传递多个参数,但是由于这个委托的传入参数是 object,所以不可避免的需要进行参数转换,下面还有几个常用的参数传递方法,让我们来一一看来使用专门的线程类，这是许多程序员爱使用的经典模式, 简单来说,就是把需要另起线程执行的方法,和他需要的参数放到一个类中,参数作为了类的属性,调用时声明此类的实例,然后初始化属性,方法执行时直接使用 类里初始化好的属性来执行,这样方法本身就可以不需要参数,而又起到了多参数传递的效果,于是使用本文最开始提到的不带参数的ThreadStart委托 就可以了,并且由于需要执行的方法和参数都放在一个类中,充分体现了面向对象的特点.具体方法如下：
还是计算面积的方法的例子,我们把这个方法用一个类包装起来,输入参数Diameter(直径)是这个类的一个字段
public class MyThread { public double Diameter = 10; public double Result = 0; public MyThread(int Diameter) { this.Diameter = Diameter; } public void Calculate() { Console.WriteLine("Calculate Start"); Thread.Sleep(2000); Result = Diameter * Math.PI; ; Console.WriteLine("Calculate End, Diameter is {0},Result is {1}", this.Diameter, Result); } } MyThread t=new MyThread(5.0); ThreadStart threadStart=new ThreadStart(t.Calculate) Thread thread=new Thread(threadStart); thread.Start(); }
例3
这种方法把参数传递变成了属性共享,想传递多少个变量都可以,从封装上讲,把逻辑和逻辑涉及的数据封装在一起,也很不错,这个方法还有一个聪明的变体,利用了匿名方法,这种变体连独立的类都省掉了,我现在给出这个方法。
double Diameter = 6; double Result=0; Thread ta = new Thread(new ThreadStart(delegate() { Thread.Sleep(2000); Result=Diameter * Math.PI; Console.WriteLine("匿名 Calculate End, Diameter is {0},Result is {1}", Diameter, Result); ; })); ta.Start();
例4
这个方法和上例道理相同,都是把参数传递变成了对变量的调用,从而取消了参数传递,但是,后者充分利用了匿名方法的一个性质,就是可以直接使用当前上下文 的局部变量,比如委托中的Diameter,和Result.当然,这样做的缺点是如果匿名方法太长,程序的可读性会降低,所以一般很少有人这样做,这里 给出这个方法供大家参考,关于匿名委托的资料可以参见
聪明的读者肯定想,既然可以用字段来传入变量,当然也可以用字段传出变量,比如在上面两个例子里我们看到计算结果都写进了一个叫Result(加亮的地方)的变量里,我们直接访问这个变量不就可以得到计算结果了吗?
这样做有一个致命的问题:既然是异步执行,主线程怎么知道分线程什么时候完成了计算呢?比如上两个例子中,我们的线程都睡眠了2000毫秒,然后才进行计 算,那么如果主线程在没有完成计算前访问Result,只能得到一个0值.于是我们就有了下面的一系列解决方法。
需要传递参数且需要返回参数
刚才说到主线程需要知道子线程什么时候执行完成,可以使用Thread.ThreadState枚举来判断当线程的 ThreadState==ThreadState.Stop时,一般就说明线程完成了工作,这时结果就可用了,如果不是这个状态,就继续执行别的工作, 或者等待一会,然后再尝试.倘若需要等有多个子线程需的返回,并且需要用他们的结果来进行进异步计算,那就叫做线程同步了,下面我们介绍另外一种我比较推 荐的方法,能够自定义参数个数,并且返回数据,而且使用起来也相对方便，
使用委托的异步调用方法和回调
首先我们要把需要异步调用的方法定义为一个委托,然后利用BeginInvoke来异步调用,BeginInvoke的第一个参数就是直径,第二个是当线程执行完毕后的调用的方法。
delegate double CalculateMethod(double Diameter); static CalculateMethod calcMethod; double result = 0; static void Main(string[] args) { calcMethod = new CalculateMethod(Calculate); calcMethod.BeginInvoke(5, new AsyncCallback(TaskFinished), null);
Thread.Sleep(10000);
} ///<summary> ///线程调用的函数 ///<summary>
public static double Calculate(double Diameter) { return Diameter * Math.PI; } ///<summary>///线程完成之后回调的函数 ///<summary> public static void TaskFinished(IAsyncResult result1) { result=calcMethod.EndInvoke(result1);
Console.WriteLine(result); Console.ReadKey();
}
例5
注意,再线程执行完毕后执行的方法TaskFinished中,我们使用了EndInvoke来取得这个函数的返回值
线程池
线程虽然是个好东西,但是也是个资源消耗大户,许多时候,我们需要用多线程,但是又不希望线程的数量过多,这就是线程池的作用,.Net为我们提供了现成的线程池ThreadPool,他的使用如下：
WaitCallback w = new WaitCallback(Calculate); ThreadPool.QueueUserWorkItem(w, 1.0); ThreadPool.QueueUserWorkItem(w, 2.0); ThreadPool.QueueUserWorkItem(w, 3.0); ThreadPool.QueueUserWorkItem(w, 4.0); public static void Calculate(double Diameter) { return Diameter * Math.PI; }
例6
首先定义一个WaitCallback委托,WaitCallback的格式是void WaitCallback(object state),也就是说你的方法必须符合这个格式,接着调用QueueUserWorkItem,将这个任务加入线程池,当县城池有空闲线时,将会调度并 运行你的代码。
每一个进程都有一个线程池,线程池的默认大小是25,我们可以通过SetMaxThreads方法来设置其最大值。
[注]由于每个进程只有一个线程池,所以如果是在iis进程,或者sqlserver的进程中使用线程池,并且需要设置线程池的最大容量的话,会影响到iis进程或sql进程,所以这两种情况下要特别小心。
控制权
在和大家交谈的时候我发现凡是习惯了面向对象思维的同事,总是对多线程情况下的执行上下文很困扰,比如例5中,主程序启动了子线程执行Calculate 方法,执行完毕后回调TaskFinished,假如主线程id是1,子线程id是2,那么Calculate肯定是在id=2的线程中执行,那么他的回 调函数TaskFinished呢? 同样也是在id=2的线程上下文中执行,不信你输出线程id试试,这通常不是什么问题,但是当我们需要在Winform编程中使用子线程时,就有可能会引 起问题了,我们将在下面讲这个问题。
窗体程序多线程编程的特殊性
当我们把例5的回调代码稍加修改,搬到winform里面,就可以看到问题所在了。
public static void TaskFinished(IAsyncResult result) { result=calcMethod.EndInvoke(result); this.TextBox1.Text=result; }
程序的原意是在线程执行完毕后讲结果写入一个TextBox,然而当程序执行到this.TextBox1.Text=result这里的时候就报错了. 原来WinForm对线程有很严格的要求,除了创建这些控件的线程,其他线程想跨线程访问WinForm上的控件的属性和方法是不允许(除了几个特殊属 性),在有的版本系统上,比如XP,对这个问题进行了处理,跨线程控件访问可以被执行,但是大多数windows系统都是不可以的,那么如果我们确实需要 跨线程修改控件属性,或者调用控件的方法,就必须用到控件的一个方法Invoke,这个方法可以把执行上下文切换回创建这些控件的线程,具体操作如下：
delegate void changeText(string result); public static void TaskFinished(IAsyncResult result) { result=calcMethod.EndInvoke(result); this.BeginInvoke(new changeText(this.textBox1.AppendText),t.Result.ToString()) }
由于委托中必须使用方法,所以我用AppendTex方法t,而不是直接设置Text属性,你如果想设置text属性,就必须自己包装一个方法,然后连接到委托了。
2.多线程的实例介绍
问题的提出
所谓单个写入程序/多个阅读程序的线程同步问题，是指任意数量的线程访问共享资源时，写入程序（线程）需要修改共享资源，而阅读程序（线程）需要读取数据。在这个同步问题中，很容易得到下面二个要求：
1）当一个线程正在写入数据时，其他线程不能写，也不能读；
2）当一个线程正在读入数据时，其他线程不能写，但能够读。
在数据库应用程序环境中经常遇到这样的问题。比如说，有n个最终用户，他们都要同时访问同一个数据库。其中有m个用户要将数据存入数据库，n-m个用户要读取数据库中的记录。
很显然，在这个环境中，我们不能让两个或两个以上的用户同时更新同一条记录，如果两个或两个以上的用户都试图同时修改同一记录，那么该记录中的信息就会被破坏。
我们也不让一个用户更新数据库记录的同时，让另一用户读取记录的内容。因为读取的记录很有可能同时包含了更新和没有更新的信息，也就是说这条记录是无效的记录。
实现分析
规定任一线程要对资源进行写或读操作前必须申请锁。根据操作的不同，分为阅读锁和写入锁，操作完成之后应释放相应的锁。将单个写入程序/多个阅读程序的要求改变一下，可以得到如下的形式：
一个线程申请阅读锁的成功条件是：当前没有活动的写入线程。
一个线程申请写入锁的成功条件是：当前没有任何活动（对锁而言）的线程。
因此，为了标志是否有活动的线程，以及是写入还是阅读线程，引入一个变量m_nActive，如果m_nActive > 0，则表示当前活动阅读线程的数目，如果m_nActive=0，则表示没有任何活动线程，m_nActive <0，表示当前有写入线程在活动，注意m_nActive<0，时只能取-1的值，因为只允许有一个写入线程活动。
为了判断当前活动线程拥有的锁的类型，我们采用了线程局部存储技术（请参阅其它参考书籍），将线程与特殊标志位关联起来。
申请阅读锁的函数原型为：public void AcquireReaderLock( int millisecondsTimeout )，其中的参数为线程等待调度的时间。函数定义如下：
public void AcquireReaderLock( int millisecondsTimeout ) { // m_mutext很快可以得到，以便进入临界区 m_mutex.WaitOne( ); // 是否有写入线程存在 bool bExistingWriter = ( m_nActive < 0 ); if( bExistingWriter ) { //等待阅读线程数目加1,当有锁释放时，根据此数目来调度线程 m_nWaitingReaders++; } else { //当前活动线程加1 m_nActive++; } m_mutex.ReleaseMutex(); //存储锁标志为Reader System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot(m_strThreadSlotName); object obj = Thread.GetData( slot ); LockFlags flag = LockFlags.None; if( obj != null ) flag = (LockFlags)obj ; if( flag == LockFlags.None ) { Thread.SetData( slot, LockFlags.Reader ); } else { Thread.SetData( slot, (LockFlags)((int)flag | (int)LockFlags.Reader ) ); } if( bExistingWriter ) { //等待指定的时间 this.m_aeReaders.WaitOne( millisecondsTimeout, true ); } }
它首先进入临界区（用以在多线程环境下保证活动线程数目的操作的正确性）判断当前活动线程的数目，如果有写线程(m_nActive<0)存在，则 等待指定的时间并且等待的阅读线程数目加1。如果当前活动线程是读线程(m_nActive>=0)，则可以让读线程继续运行。
申请写入锁的函数原型为：public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout )，其中的参数为等待调度的时间。函数定义如下：
public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout ) { // m_mutext很快可以得到，以便进入临界区 m_mutex.WaitOne( ); // 是否有活动线程存在 bool bNoActive = m_nActive == 0; if( !bNoActive ) { m_nWaitingWriters++; } else { m_nActive--; } m_mutex.ReleaseMutex(); //存储线程锁标志 System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot( "myReaderWriterLockDataSlot" ); object obj = Thread.GetData( slot ); LockFlags flag = LockFlags.None; if( obj != null ) flag = (LockFlags)Thread.GetData( slot ); if( flag == LockFlags.None ) { Thread.SetData( slot, LockFlags.Writer ); } else { Thread.SetData( slot, (LockFlags)((int)flag | (int)LockFlags.Writer ) ); } //如果有活动线程，等待指定的时间 if( !bNoActive ) this.m_aeWriters.WaitOne( millisecondsTimeout, true ); }
它首先进入临界区判断当前活动线程的数目，如果当前有活动线程存在，不管是写线程还是读线程（m_nActive），线程将等待指定的时间并且等待的写入线程数目加1，否则线程拥有写的权限。
释放阅读锁的函数原型为：public void ReleaseReaderLock()。函数定义如下：
public void ReleaseReaderLock() { System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot(m_strThreadSlotName ); LockFlags flag = (LockFlags)Thread.GetData( slot ); if( flag == LockFlags.None ) { return; } bool bReader = true; switch( flag ) { case LockFlags.None: break; case LockFlags.Writer: bReader = false; break; } if( !bReader ) return; Thread.SetData( slot, LockFlags.None ); m_mutex.WaitOne(); AutoResetEvent autoresetevent = null; this.m_nActive --; if( this.m_nActive == 0 ) { if( this.m_nWaitingReaders > 0 ) { m_nActive ++ ; m_nWaitingReaders --; autoresetevent = this.m_aeReaders; } else if( this.m_nWaitingWriters > 0) { m_nWaitingWriters--; m_nActive --; autoresetevent = this.m_aeWriters ; } } m_mutex.ReleaseMutex(); if( autoresetevent != null ) autoresetevent.Set(); }
释放阅读锁时，首先判断当前线程是否拥有阅读锁（通过线程局部存储的标志），然后判断是否有等待的阅读线程，如果有，先将当前活动线程加1，等待阅读线程 数目减1，然后置事件为有信号。如果没有等待的阅读线程，判断是否有等待的写入线程，如果有则活动线程数目减1，等待的写入线程数目减1。释放写入锁与释 放阅读锁的过程基本一致，可以参看源代码。
注意在程序中，释放锁时，只会唤醒一个阅读程序，这是因为使用AutoResetEvent的原历，读者可自行将其改成ManualResetEvent，同时唤醒多个阅读程序，此时应令m_nActive等于整个等待的阅读线程数目。
测试
测试程序取自.Net FrameSDK中的一个例子，只是稍做修改。测试程序如下：
using System; using System.Threading; using MyThreading; class Resource { myReaderWriterLock rwl = new myReaderWriterLock(); public void Read(Int32 threadNum) { rwl.AcquireReaderLock(Timeout.Infinite); try { Console.WriteLine("Start Resource reading (Thread={0})", threadNum); Thread.Sleep(250); Console.WriteLine("Stop Resource reading (Thread={0})", threadNum); } finally { rwl.ReleaseReaderLock(); } } public void Write(Int32 threadNum) { rwl.AcquireWriterLock(Timeout.Infinite); try { Console.WriteLine("Start Resource writing (Thread={0})", threadNum); Thread.Sleep(750); Console.WriteLine("Stop Resource writing (Thread={0})", threadNum); } finally { rwl.ReleaseWriterLock(); } } } class App { static Int32 numAsyncOps = 20; static AutoResetEvent asyncOpsAreDone = new AutoResetEvent(false); static Resource res = new Resource(); public static void Main() { for (Int32 threadNum = 0; threadNum < 20; threadNum++) { ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(UpdateResource), threadNum); } asyncOpsAreDone.WaitOne(); Console.WriteLine("All operations have completed."); Console.ReadLine(); } // The callback method's signature MUST match that of a System.Threading.TimerCallback // delegate (it takes an Object parameter and returns void) static void UpdateResource(Object state) { Int32 threadNum = (Int32) state; if ((threadNum % 2) != 0) res.Read(threadNum); else res.Write(threadNum); if (Interlocked.Decrement(ref numAsyncOps) == 0) asyncOpsAreDone.Set(); } }
