多线程 - 走看看

一.多线程的概念

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。
本文是我学习了.NET多线程编程后的一份摘要。

Thread类有几个至关重要的方法，描述如下：
Start():启动线程

//给当前线程起名为"System Thread"
Thread.CurrentThread.Name="System Thread";

//输出当前进程的状态
Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name+"'Status:"+Thread.CurrentThread.ThreadState);

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
//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));

Thread.ThreadState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，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
       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：
myThread.Priority=ThreadPriority.Lowest;

三.线程的同步和通讯

       每个线程都有自己的资源，但是代码区是共享的，即每个线程都可以执行相同的函数。但是多线程环境下，可能带来的问题就是几个线程同时执行一个函数，导致数据的混乱，产生不可预料的结果，因此我们必须避免这种情况的发生。C#提供了一个关键字lock，它可以把一段代码定义为互斥段（critical section），互斥段在一个时刻内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_block
expression代表你希望跟踪的对象，通常是对象引用。一般地，如果你想保护一个类的实例，你可以使用this；如果你希望保护一个静态变量（如互斥代码段在一个静态方法内部），一般使用类名就可以了。而statement_block就是互斥段的代码，这段代码在一个时刻内只可能被一个线程执行。
如：
lock (this)
{
        互斥代码
}

       而多线程公用一个对象时，也会出现和公用代码类似的问题，这种问题就不应该使用lock关键字了，这里需要用到System.Threading中的一个类Monitor，我们可以称之为监视器，Monitor提供了使线程共享资源的方案。

　　Monitor类可以锁定一个对象，一个线程只有得到这把锁才可以对该对象进行操作。对象锁机制保证了在可能引起混乱的情况下一个时刻只有一个线程可以访问这个对象。Monitor必须和一个具体的对象相关联，但是由于它是一个静态的类，所以不能使用它来定义对象，而且它的所有方法都是静态的，不能使用对象来引用。下面代码说明了使用Monitor锁定一个对象的情形：
Queue oQueue=new Queue();
......
Monitor.Enter(oQueue);
......//现在oQueue对象只能被当前线程操纵了
Monitor.Exit(oQueue);//释放锁
        当一个线程调用Monitor.Enter()方法锁定一个对象时，这个对象就归它所有了，其它线程想要访问这个对象，只有等待它使用Monitor.Exit()方法释放锁。为了保证线程最终都能释放锁，你可以把Monitor.Exit()方法写在try-catch-finally结构中的finally代码块里。

        当拥有对象锁的线程准备释放锁时，它使用Monitor.Pulse()方法通知等待队列中的第一个线程，于是该线程被转移到预备队列中，当对象锁被释放时，在预备队列中的线程可以立即获得对象锁。

        Monitor.Wait()方法释放对象上的锁并阻塞当前线程，直到它重新获取该锁。

四、线程池和定时器——多线程的自动管理

        在多线程的程序中，经常会出现两种情况。一种情况下，应用程序中的线程把大部分的时间花费在等待状态，等待某个事件发生，然后才能给予响应；而另外一种情况则是线程平常都处于休眠状态，只是周期性地被唤醒。在.net framework里边，我们使用ThreadPool来对付第一种情况，使用Timer来对付第二种情况。

        ThreadPool类提供一个由系统维护的线程池——可以看作一个线程的容器，该容器需要Windows 2000以上版本的系统支持，因为其中某些方法调用了只有高版本的Windows才有的API函数。你可以使用 ThreadPool.QueueUserWorkItem()方法将线程安放在线程池里，该方法的原型如下：

　　//将一个线程放进线程池，该线程的Start()方法将调用WaitCallback代理对象代表的函数
　　public static bool QueueUserWorkItem(WaitCallback);
　　//重载的方法如下，参数object将传递给WaitCallback所代表的方法
　　public static bool QueueUserWorkItem(WaitCallback, object);

　　要注意的是，ThreadPool类也是一个静态类，你不能也不必要生成它的对象，而且一旦使用该方法在线程池中添加了一个项目，那么该项目将是没有办法取消的。在这里你无需自己建立线程，只需把你要做的工作写成函数，然后作为参数传递给ThreadPool.QueueUserWorkItem()方法就行了，传递的方法就是依靠WaitCallback代理对象，而线程的建立、管理、运行等等工作都是由系统自动完成的，你无须考虑那些复杂的细节问题，线程池的优点也就在这里体现出来了，就好像你是公司老板——只需要安排工作，而不必亲自动手。

        ManualResetEvent对象就像一个信号灯，可以利用它的信号来通知其它线程，它有几个重要的方法：Reset()，Set()，WaitOne()。初始化该对象时，用户可以指定其默认的状态（有信号/无信号），在初始化以后，该对象将保持原来的状态不变直到它的Reset()或者Set()方法被调用，Reset()方法将其设置为无信号状态，Set()方法将其设置为有信号状态。WaitOne()方法使当前线程挂起直到ManualResetEvent对象处于有信号状态。

        与ThreadPool类不同，Timer类的作用是设置一个定时器，定时执行用户指定的函数，而这个函数的传递是靠另外一个代理对象TimerCallback，它必须在创建Timer对象时就指定，并且不能更改。定时器启动后，系统将自动建立一个新的线程，并且在这个线程里执行用户指定的函数。下面的语句初始化了一个Timer对象：
Timer timer = new Timer(timerDelegate, s,1000, 1000);

       第一个参数指定了TimerCallback代理对象；第二个参数的意义跟上面提到的WaitCallback代理对象的一样，作为一个传递数据的对象传递给要调用的方法；第三个参数是延迟时间——计时开始的时刻距现在的时间，单位是毫秒；第四个参数是定时器的时间间隔——计时开始以后，每隔这么长的一段时间，TimerCallback所代表的方法将被调用一次，单位也是毫秒。这句话的意思就是将定时器的延迟时间和时间间隔都设为1秒钟。

　　定时器的设置是可以改变的，只要调用Timer.Change()方法，这是一个参数类型重载的方法，一般使用的原型如下：
public bool Change(long, long);

五、互斥对象——更加灵活的同步方式

        互斥对象，即System.Threading命名空间中的Mutex类。大家一定坐过出租车吧，事实上我们可以把Mutex看作一个出租车，那么乘客就是线程了，乘客首先得等车，然后上车，最后下车，当一个乘客在车上时，其他乘客就只有等他下车以后才可以上车。而线程与Mutex对象的关系也正是如此，线程使用Mutex.WaitOne()方法等待Mutex对象被释放，如果它等待的Mutex对象被释放了，它就自动拥有这个对象，直到它调用Mutex.ReleaseMutex()方法释放这个对象，而在此期间，其他想要获取这个Mutex对象的线程都只有等待。
static Mutex gM1;
static Mutex gM2;
//创建一个Mutex对象，并且命名为MyMutex
gM1 = new Mutex(true,"MyMutex");
//创建一个未命名的Mutex 对象.
gM2 = new Mutex(true);

gM1.WaitOne( );//等待gM1的释放
Mutex[] gMs = new Mutex[2];
gMs[0] = gM1;//创建一个Mutex数组作为Mutex.WaitAny()方法的参数
gMs[1] = gM2;
Mutex.WaitAny(gMs);//等待数组中任意一个Mutex对象被释放
Mutex.WaitAll(gMs);//等待gM1和gM2都被释放

        AutoResetEvent类的对象，如同上面提到的ManualResetEvent对象一样，大家可以把它简单地理解为一个信号灯，使用AutoResetEvent.Set()方法可以设置它为有信号状态，而使用AutoResetEvent.Reset()方法把它设置为无信号状态。
        ManualResetEvent 允许线程通过发信号互相通信。通常，此通信涉及一个线程在其他线程进行之前必须完成的任务。当控制线程完成活动时，它调用Set以发出等待线程可以继续进行的信号。并释放所有等待线程。一旦它被终止，ManualResetEvent 将保持终止状态，直到它被手动重置。即对 WaitOne 的调用将立即返回。
        AutoResetEvent 允许线程通过发信号互相通信。通常，此通信涉及线程需要独占访问的资源。调用 Set 终止 AutoResetEvent 以释放等待线程。AutoResetEvent 将保持终止状态，直到一个正在等待的线程被释放，然后自动返回非终止状态。如果没有任何线程在等待，则状态将无限期地保持为终止状态。

六、小结

        .net中的线程控制有很多有专门用途的类来完成，不仅使用起来比传统的Win32 api和MFC都要方便，而且提供了多种解决实际问题的方案所对应的类，比如线程池，计时器等。所以，使用.net进程控制类将在很大程度上简化和健壮化我们的多线程程序。