C# 多线程知识总结

基本概念

什么是线程

• 线程是操作系统中能独立运行的最小单位，也是程序中能够并发执行的一段指令序列。
• 线程是进程的一部分，一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源。
• 进程有入口线程，也可以创建更多的线程。

为什么要多线程

• 批量重复任务希望同时执行（比如对数组中的每个元素进行相同且耗时的操作）。
• 多个不同任务希望同时进行，互不干扰（比如有多个后台线程需要做轮询等操作）。

什么是线程池

• 一组预先创建的线程，可以被重复使用来执行多个任务。
• 避免频繁地创建和销毁线程，从而减少了线程创建和销毁的开销，提高了系统的性能和效率。
• 异步编程默认使用了线程池。

什么是线程安全

线程安全

• 多个线程访问共享资源，对共享资源的访问不会导致数据不一致或不可预期的结果。

同步机制

• 用于协调和控制多个线程之间的执行顺序和互斥访问共享资源。
• 确保线程按照特定的顺序执行，避免竞态条件和数据不一致的问题。

原子操作

• 在执行过程中不会被中断的操作，不可分割，要么完全执行，要么完全不执行，没有中间状态。
• 在多线程环境下，原子操作能够保证数据的一致性和可靠性，避免出现竞态条件和数据竞争的问题。
• 比如Interlocked.Increment(ref count);

常见实现方式

线程

new Thread();

线程池

ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback((arg) => { }),new object());

异步编程

Task.Run(()=>{});

C#自带方法

• Parallel：提供了For&ForEach（每个元素可同时进行操作）、Invoke（传入多个回调函数，它们可以同时进行）
• PLINQ
  • AsParallel：可以将可枚举类型（IEnumable）转为并行执行。+AsOrdered（来保证输出是顺序的）。
  • AsSequential：转回为非并行。

实战

线程

线程的创建

• 创建Thread实例，并传入ThreadStart委托，还可以配置线程（如：实际是后台线程）。
• 调用Thread.Start方法，还可以传参。

线程的终止

• 调用Thread.Join方法，等待线程的结束（主线程会被阻塞）。
• 调用Thread.Interrupt方法，中断线程的执行。
  • 会在相应线程抛出ThreadInterruptedException异常，需要Catch到这个异常即可。
  • 如果线程中包含while(true)循环，那么需要保证包含等待方法，如IO操作或Thread.Sleep(0/1);为了保证该线程能抛出ThreadInterruptedException异常并被捕获。
• 不能用Abort方法：过时了，不安全
  • 使用Abort方法来强制终止线程可能导致一些严重的问题，包括资源泄露和不可预测的行为。
  • 较新版本的NET版本，调用这个方法，会报PlatformNotSupportedException异常。
  • 推荐使用Thread.Interrupt或CannellationToken。

线程的挂起与恢复

• Thread.Suspend以及Thread.Resume
• 较新版本的NET中，这两个方法已经被标记为Obsolete，且调用会报错
• 推荐使用锁、信号量等方式实现这一逻辑。

线程安全与同步机制Thread-Safety

原子操作

• Interlocked

锁与信号量

• lock&Monitor：lock语句，底层是使用Monitor实现的。
• Mutex：互斥锁，进程间共享
• Semaphore：限制同时执行的线程个数。WaitOne等待获取到锁，工作完成后要Release释放锁。Semaphore使用完之后记得Dispose掉。
• WaitHandle
  • ManualResetEvent
  • AutoResetEvent
• ReaderWriterLock：读写锁，多个线程都可以读，只有一个线程可以写。而且读写是互斥的。

轻量型

• SemaphoreSlim
• ManualResetEventSlim
• AutoResetEventSlim
• ReaderWriterLockSlim

不要自己造轮子！

• 线程安全的单例：Lazy

  public class SingletonBase<TSingleton> where TSingleton : class
  {
      private static readonly Lazy<TSingleton> _instance =
          new Lazy<TSingleton>(() => (TSingleton)Activator.CreateInstance(typeof(TSingleton), true)!);
      /// <summary>
      /// protected修饰的构造函数不能被创建，可以被继承
      /// </summary>
      protected SingletonBase() { }
      public static TSingleton Instance => _instance.Value;
  }
  

• 线程安全的集合类型：ConcurrentBag、ConcurrentStack、ConcurrentQueue、ConcurrentDictonary。
• 阻塞集合：BlockingCollection（阻塞当前线程，不适用异步编程），生产者消费者模型。
• 通道：Channel
• 原子操作：Interlocked
• 周期任务：PerioDicTimer