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.NET异步和多线程系列（四）- 多线程异常处理、线程取消、多线程的临时变量问题、线程安全和锁lock

本文是.NET异步和多线程系列第四章，主要介绍的是多线程异常处理、线程取消、多线程的临时变量问题、线程安全和锁lock等。

一、多线程异常处理

多线程里面抛出的异常，会终结当前线程，但是不会影响别的线程。那线程异常哪里去了？被吞了。

假如想获取异常信息，这时候要怎么办呢？下面来看下其中的一种写法（不推荐）：

/// <summary>
/// 1 多线程异常处理和线程取消
/// 2 多线程的临时变量
/// 3 线程安全和锁lock
/// </summary>
private void btnThreadCore_Click(object sender, EventArgs e)
{
    Console.WriteLine($"****************btnThreadCore_Click Start   {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");

    #region 多线程异常处理

    {
        try
        {
            List<Task> taskList = new List<Task>();
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                string name = $"btnThreadCore_Click_{i}";
                taskList.Add(Task.Run(() =>
                {
                    if (name.Equals("btnThreadCore_Click_11"))
                    {
                        throw new Exception("btnThreadCore_Click_11异常");
                    }
                    else if (name.Equals("btnThreadCore_Click_12"))
                    {
                        throw new Exception("btnThreadCore_Click_12异常");
                    }
                    else if (name.Equals("btnThreadCore_Click_38"))
                    {
                        throw new Exception("btnThreadCore_Click_38异常");
                    }
                    Console.WriteLine($"This is {name}成功 ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}");
                }));
            }
            //多线程里面抛出的异常，会终结当前线程，但是不会影响别的线程。
            //那线程异常哪里去了？ 被吞了。
            //假如我想获取异常信息，还需要通知别的线程
            Task.WaitAll(taskList.ToArray()); //1 可以捕获到线程的异常
        }
        catch (AggregateException aex) //2 需要try-catch-AggregateException
        {
            foreach (var exception in aex.InnerExceptions)
            {
                Console.WriteLine(exception.Message);
            }
        }
        catch (Exception ex) //可以多catch  先具体再全部
        {
            Console.WriteLine(ex);
        }

        //线程异常后经常是需要通知别的线程，而不是等到WaitAll，问题就是要线程取消？
        //工作中常规建议：多线程的委托里面不允许异常，包一层try-catch，然后记录下来异常信息，完成需要的操作。
    }

    #endregion 多线程异常处理

    Console.WriteLine($"****************btnThreadCore_Click End   {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");
}

上面的这种写法往往太极端了，一下子捕获了所有的异常。在真实工作中，线程异常后通常是需要通知别的线程（进行线程取消），而不是等到WaitAll。

工作中常规建议：多线程的委托里面不允许异常，包一层try-catch，然后记录下来异常信息，完成需要的操作。具体的我们往下继续看。

二、线程取消

多线程并发任务，某个失败后，希望通知别的线程都停下来，要如何实现呢？

Thread.Abort--终止线程；向当前线程抛一个异常然后终结任务；线程属于OS资源，可能不会立即停下来。非常不建议这样子去做，该方法现在也被微软给废弃了。

既然Task不能外部终止任务，那只能自己终止自己（上帝才能打败自己），下面我们来看下具体的代码：（推荐）

#region 线程取消

{
    //多线程并发任务，某个失败后，希望通知别的线程都停下来，要如何实现呢？
    //Thread.Abort--终止线程；向当前线程抛一个异常然后终结任务；线程属于OS资源，可能不会立即停下来。非常不建议这样子去做，该方法现在也被微软给废弃了。
    //Task不能外部终止任务，只能自己终止自己(上帝才能打败自己)

    //cts有个bool属性IsCancellationRequested 初始化是false
    //调用Cancel方法后变成true(不能再变回去),可以重复Cancel
    try
    {
        CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
        List<Task> taskList = new List<Task>();
        for (int i = 0; i < 50; i++)
        {
            string name = $"btnThreadCore_Click_{i}";
            taskList.Add(Task.Run(() =>
            {
                try
                {
                    if (!cts.IsCancellationRequested)
                        Console.WriteLine($"This is {name} 开始 ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}");

                    Thread.Sleep(new Random().Next(50, 100));

                    if (name.Equals("btnThreadCore_Click_11"))
                    {
                        throw new Exception("btnThreadCore_Click_11异常");
                    }
                    else if (name.Equals("btnThreadCore_Click_12"))
                    {
                        throw new Exception("btnThreadCore_Click_12异常");
                    }
                    else if (name.Equals("btnThreadCore_Click_13"))
                    {
                        cts.Cancel();
                    }
                    if (!cts.IsCancellationRequested)
                    {
                        Console.WriteLine($"This is {name}成功结束 ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}");
                    }
                    else
                    {
                        Console.WriteLine($"This is {name}中途停止 ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}");
                        return;
                    }
                }
                catch (Exception ex)
                {
                    Console.WriteLine(ex.Message);
                    cts.Cancel();
                }
            }, cts.Token));
            //加参数cts.Token目的是：在Cancel时还没有启动的任务，就不启动了。
            //但是所有没有启动的任务都会抛出一个异常cts.Token.ThrowIfCancellationRequested
        }
        //1 准备cts  2 try-catch-cancel  3 Action要随时判断IsCancellationRequested
        //尽快停止，肯定有延迟，在判断环节才会结束

        Task.WaitAll(taskList.ToArray());

        //如果线程还没启动，能不能就别启动了？加参数cts.Token
        //1 启动线程传递Token  2 异常抓取  
        //在Cancel时还没有启动的任务，就不启动了；也是抛异常，cts.Token.ThrowIfCancellationRequested
    }
    catch (AggregateException aex)
    {
        foreach (var exception in aex.InnerExceptions)
        {
            Console.WriteLine(exception.Message);
        }
    }
    catch (Exception ex)
    {
        Console.WriteLine(ex.Message);
    }
}

#endregion 线程取消

CancellationTokenSource有个bool属性IsCancellationRequested，初始化是false，调用Cancel方法后变成true(不能再变回去)，可以重复Cancel。cts是线程安全的。

值得一提的是，使用Task.Run启动线程的时候还传了一个cts.Token的参数，目的是：调用Cancel方法后还没有启动的任务，就不启动了，实现原理是所有没有启动的任务都会抛出一个System.Threading.Tasks.TaskCanceledException类型的异常，异常描述为“已取消一个任务”，抛出异常后任务自然也就终止了。一般情况下我们不会主动的去捕获这种异常，

那如果想看到这种异常信息的话可以通过Task.WaitAll(taskList.ToArray())加上try{...}catch (AggregateException aex){...}这种方式去捕获该类型的异常。

PS：可以发现上面的这段代码在线程内部的地方加了一个异常捕获，工作中常规建议：多线程的委托里面不允许异常，包一层try-catch，然后记录下来异常信息，完成需要的操作。

注意：此处的线程停止也只能说是尽快停止，肯定有延迟，在判断环节才会结束。

三、多线程的临时变量问题

#region 多线程的临时变量问题

{
    //多线程的临时变量问题，线程是非阻塞的，延迟启动的；线程执行的时候，i已经是5了。
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        Task.Run(() =>
        {
            //此处i都是5
            Console.WriteLine($"This is btnThreadCore_Click_{i} ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}");
        });
    }


    //k是闭包里面的变量，每次循环都有一个独立的k
    //5个k变量  1个i变量
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        int k = i;
        Task.Run(() =>
        {
            Console.WriteLine($"This is btnThreadCore_Click_{i}_{k} ThreadId={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}");
        });
    }
}

#endregion 多线程的临时变量问题

运行结果如下：

四、线程安全和锁lock

线程安全：如果你的代码在进程中有多个线程同时运行这一段，如果每次运行的结果都跟单线程运行时的结果一致，那么就是线程安全的。

线程安全问题一般都是有全局变量/共享变量/静态变量/硬盘文件/数据库的值，只要是多线程都能访问和修改的就有可能是非线程安全。

非线程安全是因为多个线程相同操作，出现了覆盖，那要怎么解决？

方案1：使用lock解决多线程冲突（现在一般不推荐使用这个，会限制并发）

lock是语法糖，Monitor.Enter，占据一个引用，别的线程就只能等着。

推荐锁是private static readonly object lockObj = new object();

首先我们来看下lock的标准写法：

//字段
private static readonly object lockObj = new object();
private int iNumSync = 0;
private int iNumAsync = 0; //非线程安全
private int iNumLockAsync = 0;
private List<int> iListAsync = new List<int>();

{
    for (int i = 0; i < 10000; i++)
    {
        this.iNumSync++; //单线程
    }

    for (int i = 0; i < 10000; i++)
    {
        Task.Run(() =>
        {
            this.iNumAsync++; //非线程安全
        });
    }

    for (int i = 0; i < 10000; i++)
    {
        Task.Run(() =>
        {
            //lock的标准写法
            //推荐锁是private static readonly object lockObj = new object();
            lock (lockObj) //任意时刻只有一个线程能进入方法块，这不就变成了单线程，限制了并发
            {
                this.iNumLockAsync++;
            }
        });
    }

    for (int i = 0; i < 10000; i++)
    {
        int k = i;
        Task.Run(() => this.iListAsync.Add(k)); //非线程安全
    }

    Thread.Sleep(5 * 1000);
    Console.WriteLine($"iNumSync={this.iNumSync} iNumAsync={this.iNumAsync} iNumLockAsync={iNumLockAsync} listNum={this.iListAsync.Count}");
    //结果：iNumSync=1000 、 iNumAsync=1到1000之间 、 iNumLockAsync=1000 、 this.iListAsync.Count=1到1000之间
}

运行结果如下：

使用lock虽然可以解决线程安全问题，但是同时也限制了并发。

使用lock的注意点：

　　A 不能是lock(null)，可以编译但不能运行；

　　B 不推荐lock(this)，外面如果也要用实例，就冲突了；

　　C 不应该是lock(string字符串)，string在内存分配上是重用的，会冲突；

　　D lock里面的代码不要太多，这里是单线程的；

下面我们来看些例子：

为什么不推荐lock(this)？

public class Test
{
    private int iDoTestNum = 0;
    private string name = "浪子天涯";

    /// <summary>
    /// 锁this会和外部锁对象实例冲突
    /// </summary>
    public void DoTest()
    {
        //递归调用，lock (this)  会不会死锁？ 正确答案是不会死锁！
        //这里是同一个线程，这个引用就是被这个线程所占据。
        lock (this)
        {
            Thread.Sleep(500);
            this.iDoTestNum++;
            if (this.iDoTestNum < 10)
            {
                Console.WriteLine($"This is {this.iDoTestNum}次 {DateTime.Now.Day}");
                this.DoTest();
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("28号，课程结束！！");
            }
        }
    }

    /// <summary>
    /// 此次锁字符串会和外部锁值相同的字符串冲突
    /// 这是因为相同的字符串会被指向同一块引用，这就相当于锁同一个引用，即同一个锁
    /// </summary>
    public void DoTestString()
    {
        //此次不会死锁
        //这里是同一个线程，这个引用就是被这个线程所占据。
        lock (this.name)
        {
            Thread.Sleep(500);
            this.iDoTestNum++;
            if (this.iDoTestNum < 10)
            {
                Console.WriteLine($"This is {this.iDoTestNum}次 {DateTime.Now.Day}");
                this.DoTestString();
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("28号，课程结束！！");
            }
        }
    }
}

#region 线程安全和锁lock

{
    //线程安全：如果你的代码在进程中有多个线程同时运行这一段，如果每次运行的结果都跟单线程运行时的结果一致，那么就是线程安全的。
    //线程安全问题一般都是有全局变量/共享变量/静态变量/硬盘文件/数据库的值，只要是多线程都能访问和修改的就有可能是非线程安全。
    //非线程安全是因为多个线程相同操作，出现了覆盖，那要怎么解决？

    //1、使用lock解决多线程冲突
    //lock是语法糖，Monitor.Enter，占据一个引用，别的线程就只能等着。
    //推荐锁是private static readonly object lockObj = new object();
    //A 不能是lock(null)，可以编译但不能运行；
    //B 不推荐lock(this)，外面如果也要用实例，就冲突了；
    //C 不应该是lock(string字符串)，string在内存分配上是重用的，会冲突；
    //D lock里面的代码不要太多，这里是单线程的；

    Test test = new Test();
    Task.Delay(1000).ContinueWith(t =>
    {
        lock (test) //和Test内部的lock(this)是同一个锁，故此次尽管是子线程也要排队等待
        {
            Console.WriteLine("*********lock(this) Start*********");
            Thread.Sleep(2000);
            Console.WriteLine("*********lock(this) End*********");
        }
    });
    test.DoTest();
}

#endregion 线程安全和锁lock

运行结果如下：

仔细观察会发现Task子线程的任务会等到test.DoTest()的任务执行完后才会执行，这是为什么呢？

有些人可能就会有疑问了，此处锁this和锁test实例看上去应该是2把锁，互不影响才对啊，那为什么又会冲突呢？

实际上此处的this和test是同一个实例，那么锁的当然也是同一个引用，故相当于是同一把锁。

那又为什么不应该锁string字符串呢？

我们在上面的例子上做一些调整如下所示：

#region 线程安全和锁lock

{
    //线程安全：如果你的代码在进程中有多个线程同时运行这一段，如果每次运行的结果都跟单线程运行时的结果一致，那么就是线程安全的。
    //线程安全问题一般都是有全局变量/共享变量/静态变量/硬盘文件/数据库的值，只要是多线程都能访问和修改的就有可能是非线程安全。
    //非线程安全是因为多个线程相同操作，出现了覆盖，那要怎么解决？

    //1、使用lock解决多线程冲突
    //lock是语法糖，Monitor.Enter，占据一个引用，别的线程就只能等着。
    //推荐锁是private static readonly object lockObj = new object();
    //A 不能是lock(null)，可以编译但不能运行；
    //B 不推荐lock(this)，外面如果也要用实例，就冲突了；
    //C 不应该是lock(string字符串)，string在内存分配上是重用的，会冲突；
    //D lock里面的代码不要太多，这里是单线程的；

    {
        //    Test test = new Test();
        //    Task.Delay(1000).ContinueWith(t =>
        //    {
        //        lock (test) //和Test内部的lock(this)是同一个锁，故此次尽管是子线程也要排队等待
        //        {
        //            Console.WriteLine("*********lock(this) Start*********");
        //            Thread.Sleep(2000);
        //            Console.WriteLine("*********lock(this) End*********");
        //        }
        //    });
        //    test.DoTest();
    }

    {
        Test test = new Test();
        string student = "浪子天涯";
        Task.Delay(1000).ContinueWith(t =>
        {
            lock (student)
            {
                Console.WriteLine("*********lock(string) Start*********");
                Thread.Sleep(2000);
                Console.WriteLine("*********lock(string) End*********");
            }
        });
        test.DoTestString();
    }
}

#endregion 线程安全和锁lock

运行结果如下：

仔细观察会发现这和lock(this)的效果是一样的，那这又是为什么呢？

这是由于C#内存分配导致的，相同的字符串会被指向同一块引用空间，那么此处的锁this.name变量和锁student变量就相当于锁同一个引用，故相当于是同一把锁。

方案2：线程安全集合

使用System.Collections.Concurrent.ConcurrentQueue<int>等相关操作，System.Collections.Concurrent命名空间下的相关操作是线程安全的。

方案3：数据分拆，避免多线程操作同一个数据，又安全又高效（推荐）

在真实工作中遇到线程不安全的情况，如果有办法使用数据分拆来解决则推荐使用数据分拆，数据分拆无法解决的时候再考虑使用锁。

Demo源码：

链接：https://pan.baidu.com/s/1Eaet92HhGoK9sHjXhz_VsA 
提取码：7st0

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