C#之线程和并发

建议大家对C#撑握的不错的时候，可以去看一些开源项目。走技术这条路，就要耐得住寂寞（群里双休日说要让群主找妹子进群的人必须反思），练好内功。不撑握C#高级知识点，别想看懂优秀的开源项目，更别指望吸收其编程思想；你的水平，随时可以被一个实习生代替！切记不能浮躁！

本文讲线程和并发，这块知识点太多太多了，不可能用一篇文章写的面面具到（本身主题就是C#高级知识概要嘛），我所了解的也有限。但对于Web开发，我想本文的知识点应该足够，如果后面有遇到本文没讲的，后面再补充吧。

本文目录：

• 线程的简单使用
• 并发和异步的区别
• 并发控制 - 锁
• 线程的信号机制
• 线程池中的线程
• 案例：支持并发的异步日志组件
• 结语

线程的简单使用

常见的并发和异步大多是基于线程来实现的，所以本文先讲线程的简单使用方法。

使用线程，我们需要引用System.Threading命名空间。创建一个线程最简单的方法就是在 new 一个 Thread，并传递一个ThreadStart委托（无参数）或ParameterizedThreadStart委托（带参数），如下：

class Program {
    static void Main(string[] args) {

        // 使用无参数委托ThreadStart
        Thread t = new Thread(Go);
        t.Start();

        // 使用带参数委托ParameterizedThreadStart
        Thread t2 = new Thread(GoWithParam);
        t2.Start("Message from main.");

        t2.Join();// 等待线程t2完成。

        Console.WriteLine("Thread t2 has ended!");
        Console.ReadKey();
    }

    static void Go() {
        Console.WriteLine("Go!");
    }

    static void GoWithParam(object msg) {
        Console.WriteLine("Go With Param! Message: " + msg);
        Thread.Sleep(1000);// 模拟耗时操作
    }
}

运行结果：

线程的用法，我们只需要了解这么多。下面我们再来通过一段代码来讲讲并发和异步。

并发和异步的区别

关于并发和异步，我们先来写一段代码，模拟多个线程同时写1000条日志：

class Program {
    static void Main(string[] args) {

        Thread t1 = new Thread(Working);
        t1.Name = "Thread1";
        Thread t2 = new Thread(Working);
        t2.Name = "Thread2";
        Thread t3 = new Thread(Working);
        t3.Name = "Thread3";

        // 依次启动3个线程。
        t1.Start();
        t2.Start();
        t3.Start();

        Console.ReadKey();
    }

    // 每个线程都同时在工作
    static void Working() {
        // 模拟1000次写日志操作
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            //  异步写文件
            Logger.Write(Thread.CurrentThread.Name + " writes a log: " + i + ", on " + DateTime.Now.ToString() + ".\n");
        }// 做一些其它的事件
        for (int i = 0; i < 1000; i++) { }
    }
}

代码很简单，相信大家都能看得懂。Logger 大家可以把它看做是一个写日志的组件，先不关心它的具体实现，只要知道它是一个提供了写日志功能的组件就行。

那么，这段代码跟并发和异步有什么关系呢？

我们先用一张图来描述这段代码：

观察上图，3个线程同时调用Logger写日志，对于Logger来说，3个线程同时交给了它任务，这种情况就是并发。对于其中一个线程来说，它在工作过程中，在某个时间请求Logger帮它写日志，同时又继续在自己的其它工作，这种情况就是异步。

（经读者反馈，为不“误导”读者（尽管我个人不觉得是误导。之前我的定义和解释不全面，没有从操作系统和CPU层次去区分这两个概念。我的文章不喜欢搬教科书，只是想用通俗易读的白话让大家理解），为了知识的专业性和严谨，现已把我理解的对并发和异步的定义删除，感谢园友们的热心讨论）。

接下来，我们继续讲几个很有用的有关线程和并发的知识 - 锁、信号机制和线程池。

并发控制 - 锁

CLR 会为每个线程分配自己的内存堆空间，以使他们的本地变量保持分离互不干扰。

线程之间也可以共享通用的数据，比如同一对象的某个属性或全局静态变量。但线程间共享数据是存在安全问题的。举个例子，下面的主线程和新线程共享了变量done，done用来标识某件事已经做过了（告诉其它线程不要再重复做了）：

class Program {
    static bool done;
    static void Main(string[] args) {

        new Thread(Go).Start(); // 在新的线程上调用Go
        Go(); // 在主线程上调用Go

        Console.ReadKey();
    }

    static void Go() {
        if (!done) {
            Thread.Sleep(500); // 模拟耗时操作
            Console.WriteLine("Done");
            done = true;
        }
    }
}

输出结果：

输出了两个“Done”，事件被做了两次。由于没有控制好并发，这就出现了线程的安全问题，无法保证数据的状态。

要解决这个问题，就需要用到锁（Lock，也叫排它锁或互斥锁）。使用lock语句，可以保证共享数据只能同时被一个线程访问。lock的数据对象要求是不能null的引用类型的对象，所以lock的对象需保证不能为空。为此需要创建一个不为空的对象来使用锁，修改一下上面的代码如下：

class Program {

    static bool done;
    static object locker = new object(); // ！！

    static void Main(string[] args) {

        new Thread(Go).Start(); // 在新的线程上调用Go
        Go(); // 在主线程上调用Go

        Console.ReadKey();
    }

    static void Go() {
        lock (locker) {
            if (!done) {
                Thread.Sleep(500); // Doing something.
                Console.WriteLine("Done");
                done = true;
            }
        }
    }
}

再看结果：

使用锁，我们解决了问题。但使用锁也会有另外一个线程安全问题，那就是“死锁”，死锁的概率很小，但也要避免。保证“上锁”这个操作在一个线程上执行是避免死锁的方法之一，这种方法在下文案例中会用到。

这里我们就不去深入研究“死锁”了，感兴趣的朋友可以去查询相关资料。

线程的信号机制

有时候你需要一个线程在接收到某个信号时，才开始执行，否则处于等待状态，这是一种基于信号的事件机制。.NET框架提供一个ManualResetEvent类来处理这类事件，它的 WaiOne 实例方法可使当前线程一直处于等待状态，直到接收到某个信号。它的Set方法用于打开发送信号。下面是一个信号机制的使用示例：

static void Main(string[] args) {

    var signal = new ManualResetEvent(false);

    new Thread(() => {
        Console.WriteLine("Waiting for signal...");
        signal.WaitOne();
        signal.Dispose();
        Console.WriteLine("Got signal!");
    }).Start();
    Thread.Sleep(2000);

    signal.Set();// 打开“信号”

    Console.ReadKey();
}

运行结果：

当执行Set方法后，信号保持打开状态，可通过Reset方法将其关闭，若不再需要，通过Dispose将其释放。如果预期的等待时间很短，可以用ManualResetEventSlim代替ManualResetEvent，前者在等待时间较短时性能更好。信号机制非常有用，后面的日志案例会用到它。

线程池中的线程

线程池中的线程是由CLR来管理的。在下面两种条件下，线程池能起到最好的效用：

• 任务运行的时候比较短（<250ms），这样CLR可以充分调配现有的空闲线程来处理该任务；
• 大量时间处于等待（或阻塞）的任务不去支配线程池的线程。

要使用线程中的线程，主要有下面两种方式：

// 方式1：Task.Run，.NET Framework 4.5 才有
Task.Run (() => Console.WriteLine ("Hello from the thread pool"));

// 方式2：ThreadPool.QueueUserWorkItem
ThreadPool.QueueUserWorkItem (t => Console.WriteLine ("Hello from the thread pool"));

线程池使得线程可以充分有效地被使用，减少了任务启动的延迟。但是不是所有的情况都适合使用线程池中的线程，比如下面要讲的日志案例 - 异步写文件。

这里讲线程池，是为了让大家大致了解什么时候用线程池中的线程，什么时候不用。即，耗时长或有阻塞情况的不用线程池中的线程。

创建不走线程池中的线程，可以直接通过new Thread来创建，也可以通过下面的代码来创建：

Task task = Task.Factory.StartNew (() => ...,TaskCreationOptions.LongRunning);// 注意必须带TaskCreationOptions.LongRunning参数

这里用到了Task，大家不用关心它，后续博文会详细讲。

关于线程的知识很多，这里不再深入了，因为这些已经足够让我们应付Web开发了。

案例：支持并发的异步日志组件

上文的“并发和异步的区别”的代码中我们用到了一个Logger类，现在我们就来做一个这样的Logger。

基于上面的知识，我们可以实现应用程序的并发写日志日志功能。在应用程序中，写日志是常见的功能，简单分析一下该功能的需求：

1. 在后台异步执行，和其它线程互不影响。 根据上文线程池的两个最优使用条件，由写日志线程会长时间处于阻塞（或运行等待）状态，所以它不适合使用线程池。即不能使用Task.Run，而最好使用new Thread。
2. 支持并发，即多个任务（分布在不同线程上）可同时调用写日志功能，但需保证线程安全。 支持并发，必然要用到锁，但要完全保证线程安全，那就要想办法避免“死锁”。只要我们把“上锁”的操作始终由同一个线程来做即可避免“死锁”问题，但这样的话，并发请求的任务只能放在队列中由该线程依次执行（因为是后台执行，无需即时响应用户，所以可以这么做）。
3. 单个实例，单个线程。 任何地方调用写日志功能都调用的是同一个Logger实例（显然不能每次写日志都新建一个实例），即需使用单例模式。不管有多少任务调用写日志功能，都必须始终使用同一个线程来处理这些写日志操作，以保证不占用过多的线程资源和避免新建线程带来的延迟。

运用上面的知识，我们来写一个这样的类。简单理一下思路：

1. 需要一个用来存放写日志任务的队列。
2. 需要有一个信号机制来标识是否有新的任务要执行。
3. 当有新的写日志任务时，将该任务加入到队列中，并发出信号。
4. 用一个方法来处理队列中的任务，当接收新任务信号时，就依次调用队列中的任务。

开发一个功能前需要有个简单的思路，保证心里面有底。具体开发的时候会发现问题，然后再去补充扩展和完善等。刚开始很难想得太周全，先有个简单的思路，然后代码写起来！

下面是这样一个Logger类初步实现：

public class Logger {

    // 用于存放写日志任务的队列
    private Queue<Action> _queue;

    // 用于写日志的线程
    private Thread _loggingThread;

    // 用于通知是否有新日志要写的“信号器”
    private ManualResetEvent _hasNew;

    // 构造函数，初始化。
    private Logger() {
        _queue = new Queue<Action>();
        _hasNew = new ManualResetEvent(false);

        _loggingThread = new Thread(Process);
        _loggingThread.IsBackground = true;
        _loggingThread.Start();
    }

    // 使用单例模式，保持一个Logger对象
    private static readonly Logger _logger = new Logger();
    private static Logger GetInstance() {
        /* 不安全代码
        lock (locker) {
            if (_logger == null) {
                _logger = new Logger();
            }
        }*/
        return _logger;
    }

    // 处理队列中的任务
    private void Process() {
        while (true) {
            // 等待接收信号，阻塞线程。
            _hasNew.WaitOne();

            // 接收到信号后，重置“信号器”，信号关闭。
            _hasNew.Reset(); 

            // 由于队列中的任务可能在极速地增加，这里等待是为了一次能处理更多的任务，减少对队列的频繁“进出”操作。
            Thread.Sleep(100);

            // 开始执行队列中的任务。
            // 由于执行过程中还可能会有新的任务，所以不能直接对原来的 _queue 进行操作，
            // 先将_queue中的任务复制一份后将其清空，然后对这份拷贝进行操作。

            Queue<Action> queueCopy;
            lock (_queue) {
                queueCopy = new Queue<Action>(_queue);
                _queue.Clear();
            }

            foreach (var action in queueCopy) {
                action();
            }
        }
    }

    private void WriteLog(string content) {
        lock (_queue) { // todo: 这里存在线程安全问题，可能会发生阻塞。
            // 将任务加到队列
            _queue.Enqueue(() => File.AppendAllText("log.txt", content));
        }

        // 打开“信号”
        _hasNew.Set();
    }

    // 公开一个Write方法供外部调用
    public static void Write(string content) {
        // WriteLog 方法只是向队列中添加任务，执行时间极短，所以使用Task.Run。
        Task.Run(() => GetInstance().WriteLog(content));
    }
}

类写好了，用上文“并发和异步的区别”中的代码测试一下这个Logger类，在我的电脑上运行的一次结果：

共3000条日志，结果没有问题。

上面的Logger类注释写得很详细，我就不再解析了。

通过这个示例，目的是让大家掌握线程和并发在开发中的基本应用和要注意的问题。

遗憾的是这个Logger类并不完美，而且存在线程安全问题（代码中用红色字体标出），虽然实际环境概率很小。可能上面代码多次运行都很难看到有异常发生（我多次运行未发生异常），但同时再添加几个线程可能就会有问题了。

那么，如何解决这个线程安全问题呢？