C# chap09 C#多线程技术

第9章C#多线程技术9.1线程概述„Windows是一个多任务的操作系统，如果读者使用的是Windows2000或以上版本，那么可以通过任务管理器查看当前系统运行的进程。„什么是进程呢？当一个程序开始运行时，它就是一个进程。进程包括运行中的程序和程序使用的内存和系统资源。而一个进程又是由多个线程组成的，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例子，在浏览器中可以在下载Java小应用程序或图像的同时滚动页面，在访问新页面时播放动画、声音并打印文件等。„多线程程序中，在一个线程必须等待的时候，CPU可以运行其他线程而不是等待，这就大大提高了程序的效率„线程不利方面主要有：„1)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。„2)多线程需要协调和管理，所以需要占用CPU时间来跟踪线程。„3)线程之间对共享资源的访问会相互影响，必须解决争用共享资源的问题。„4)线程太多会导致控制太复杂，最终可能造成很多Bug。1.1C#的优势基于以上认识，我们通过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。一个公司至少要有一个职员吧，同理，一个进程至少包含一个线程。在公司里，可以让一个职员干所有的事，但是效率显然高不起来；一个程序中也可以只用一个线程去做事。但是，也不是越多越好，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。9.2创建并控制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。usingSystem;usingSystem.Threading;classRunIt{staticvoidMain(string[]args){//给当前线程起名为SystemThreadThread.CurrentThread.Name=SystemThread;Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name+'Status:+Thread.CurrentThread.ThreadState);}}1.1C#的优势编译执行后程序将产生如下输出：SystemThread'sStatus: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“SystemThread”，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公有的属性，不管创建多少个实例，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，但在某一时刻，CPU只能执行其中一个。就像上面程序演示的，我们通过Thread类来创建和控制线程。注意，在程序的头部，我们使用了如下命名空间：usingSystem;usingSystem.Threading;1.1C#的优势在.netframeworkclasslibrary中，所有与多线程机制应用相关的类都放在System.Threading命名空间中。其中Thread类用于创建线程，ThreadPool类用于管理线程池等，此外还提供了解决线程执行中安排、死锁、线程间通信等实际问题的机制。如果想在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：（1）Start()——启动线程。（2）Sleep(int)——静态方法，暂停当前线程指定的毫秒数。（3）Abort()——通常使用该方法来终止一个线程。（4）Suspend()——该方法并不终止未完成的线程，而只是挂起线程，以后还可恢复。（5）Resume()——恢复被Suspend()方法挂起的线程的执行。9.2.1线程的创建使用Thread类创建线程时，只需提供线程入口。线程入口告诉程序让这个线程做什么，在C#中，线程入口是通过ThreadStart代理（delegate）提供的，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（或说指向）的函数。打开VisualStudio2005，新建一个控制台应用程序，下面的代码是完全控制一个线程的例子。1.1C#的优势usingSystem;usingSystem.Threading;publicclassAlpha{publicvoidBeta(){while(true){Console.WriteLine(Alpha.Betaisrunninginitsownthread.);}}};1.1C#的优势publicclassSimple{publicstaticintMain(){Console.WriteLine(ThreadStart/Stop/JoinSample);AlphaoAlpha=newAlpha();//这里创建一个线程，使之执行Alpha类的Beta()方法ThreadoThread=newThread(newThreadStart(oAlpha.Beta));oThread.Start();while(!oThread.IsAlive);Thread.Sleep(1);oThread.Abort();oThread.Join();Console.WriteLine();Console.WriteLine(Alpha.Betahasfinished);1.1C#的优势try{Console.WriteLine(TrytorestarttheAlpha.Betathread);oThread.Start();}catch(ThreadStateException){Console.Write(ThreadStateExceptiontryingtorestartAlpha.Beta.);Console.WriteLine(Expectedsinceabortedthreadscannotberestarted.);Console.ReadLine();}return0;}}1.1C#的优势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()方法初始化了ThreadStart代理（delegate）对象，当线程oThread调用oThread.Start()方法启动时，实际上程序运行的是Alpha.Beta()方法：AlphaoAlpha=newAlpha();ThreadoThread=newThread(newThreadStart(oAlpha.Beta));oThread.Start();1.1C#的优势然后在Main()函数的while循环中，我们使用静态方法Thread.Sleep()让主线程暂停了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()方法将使主线程等待，直到oThread线程结束为止。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，但是使用Abort()方法的后果是不可恢复地终止线程，所以最后程序会抛出ThreadStateException异常注意：其他线程都依附于Main()函数所在的线程，Main()函数是C#程序的入口，起始线程可以称为主线程，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。在微观上，所有的线程是串行执行的，但在宏观上，可以认为它们在并行执行。注意：其他线程都依附于Main()函数所在的线程，Main()函数是C#程序的入口，起始线程可以称为主线程，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。在微观上，所有的线程是串行执行的，但在宏观上，可以认为它们在并行执行。9.2.2线程的状态及优先级读者一定注意到了Thread.ThreadState这个属性，它代表了线程运行时的状态，在不同的情况下有不同的值，我们有时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：（1）Aborted——线程已停止；（2）AbortRequested——线程的Thread.Abort()方法已被调用，但是线程还未停止；（3）Background——线程在后台执行，与属性Thread.IsBackground有关；（4）Running——线程正常运行；（5）Stopped——线程已被停止；（6）StopRequested——线程正在被要求停止；（7）Suspended——线程已被挂起（此状态下，可以通过调用Resume()方法重新运行）；（8）SuspendRequested——线程正在要求被挂起，但未来得及响应；（9）Unstarted——未调用Thread.Start()开始线程的运行；（10）WaitSleepJoin——线程因为调用了Wait()、Sleep()或Join()等方法而处于封锁状态1.1C#的优势当线程之间争夺CPU时间时，CPU按照线程的优先级给予服务。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，系统将默认为ThreadPriority.Normal。给一个线程指定优先级，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，可以安排一些相对重要的线程优先执行，如对用户的响应等。现在我们已经初步了解了怎样创建和控制一个线程，下面将深入研究线程实现中比较典型的问题，并探讨解决方法。9.3线程的同步和通信假设有这样一种情况，两个线程同时维护一个队列，如果一个线程向队列添加元素，而另一个线程从队列中取用元素，那么称添加元素的线程为生产者，取用元素的线程为消费者。生产者与消费者问题看起来很简单，却是多线程应用中一个必须解决的问题，它涉及线程之间的同步和通信问题。9.3.1lock关键字前面说过，每个线程都有自己的资源，但代码区是共享的，即每个线程都可以执行相同的函数。但在多线程环境下，可能带来这样的问题：几个线程同时执行一个函数，导致数据混乱，产生不可预料的结果，我们必须避免这种情况发生。C#提供了一个关键字lock，它可以把一段代码定义为互斥段（criticalsection）。互斥段在一个时刻只允许一个线程进入执行，而其他线程必须等待。在C#中，关键字lock定义如下：lock(expression)statement_blockexpression代表希望跟踪的对象，通常是对象引用。一般地，保护一个类的实例，可以使用this；而保护一个静态变量（如互斥代码段在一个静态方法内部），使用类名就可以了。statement_block就是互斥段的代码，这段代码在一个时刻只能被一个线程执行。下面是一个使用lock关键字的典型例子，在注释里说明了lock关键字的用法和用途。【例9.1】lock关键字的使用。usingSystem;usingSystem.Threading;internalclassAccount{intbal