.NET多线程总结和实例介绍

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();
        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); 
} 

///<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 result)
{
result=calcMethod.EndInvoke(result);
}

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();    
}    
}