C#之任务，线程和同步

1 概述

　　对于所有需要等待 的操作,例 如 ,因 为文件 、 数据库或网络访 问都需要一定 的时间,此 时就可以启 动一个新线程,同时完成其他任务，即使是处理密集型的任务,线程也是有帮助的。

2 Parallel类

　　2.1 用Parallel.For()方法循环

　　Parallel.For()方法类似于C#的For循环，多次执行一个任务，它可以并行运行迭代。迭代的顺序没有定义。

 ParallelLoopResult result = Parallel.For(, , i =>
             {
                 Console.WriteLine("{0}，task：{1}，thread:{2}", i, Task.CurrentId, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
                 Thread.Sleep();
             });
             Console.WriteLine(result.IsCompleted);

　　在For()方法中，前两个参数定义了循环的开头和结束。从输出可以看出，顺序是不能保证的。也可以提前中断Parallel.For()方法。

 ParallelLoopResult result2 = Parallel.For(, , (int i,ParallelLoopState pls) =>
             {
                 Console.WriteLine("i: {0}，task:{1}", i, Task.CurrentId);
                 Thread.Sleep();
                 )
                     pls.Break();
             });
             Console.WriteLine(result2.IsCompleted);
             Console.WriteLine( "lowest break iteration:{0}",result2.LowestBreakIteration);

　　2.2 用Parallel.ForEach()方法循环

　　paraller.ForEach()方法遍历实现了IEnumerable的集合，其方式类似于Foreach语句，但以异步方式遍历，这里也没有确定的遍历顺序。

     string[] data = { "zero", "one", "two", "three", "four", "five", "six", "seven", "eight", "nine", "ten", "eleven", "twelve" };
             //  Parallel.ForEach(data, s => { Console.WriteLine(s); });
             Parallel.ForEach(data, (s, pls) => { ); });

　　2.3 通过Paraller.Invoke()调用多个方法

 Parallel.Invoke(Foo ,Bar);

 static void Foo() { Console.WriteLine("foo"); }
 static void Bar() { Console.WriteLine("bar"); }

3 任务

　　.NET 4 包含新的名称空间System.Threading.Task，它它 包含的类抽象出了线程功能，在后台使用ThreadPool。 任务表示应完成的某个单元的工作。 这个单元的工作可以在单独的线程中运行,也可以以同步方式启动一个任务,这需要等待主调线程。

　　3.1启动任务

　　要启动任务,可 以使用 TaskFactory类 或 Task类 的构造函数和 start()方 法。 Task类 的构造函数在创建任务上提供的灵活性较大.

    //using TaskFactory
             Task t1 = new TaskFactory().StartNew(TaskMethod);
             //using the task factory via task
             Task t2 = Task.Factory.StartNew(TaskMethod);
             //using task constructor
             Task t3 = new Task(TaskMethod);
             t3.Start();

使用 Task类 的构造函数和 TaskFactory类 的 stamw()方法时,都可以传递TaskCreationOptions枚举中的值。 设置LongRunning选项,可 以通知任务调度器,该 任务需要较长时间执行,这样调度器更可能使用 新线。 如果该任务应关联到父任务上,而父任务取消了,则 该任务也应取消,此 时应设置 AuachToParent选 项。PerferFairness 值表示,调度器应提取出已在等待的第一个任务。  如果任务使用 子任务创建了其他工作,子
任务就优先于其他任务。 它们不会排在线程池队列中的最后。 如果这些任务应 以公平的方式与所有其他任务一起处理,就设置该选项为PreferFairness

   Task t5 = t4.ContinueWith(DoSecond,TaskContinuationOptions.PreferFairness);

　　3.2连续的任务

　　通过任务,可 以指定在任务完成后,应 开始运行另一个特定任务.

  static void DoOnFirst()
         {
             Console.WriteLine("doing some task {0}",Task.CurrentId);
             Thread.Sleep();
         }
         static void DoSecond(Task t)
         {
             Console.WriteLine("task {0} finished",t.Id);
             Console.WriteLine("this task id {0}",Task.CurrentId);
             Console.WriteLine("do some cleanup");
             Thread.Sleep();
         }

  Task t1 = new Task(DoOnFirst);
             Task t2 = t1.ContinueWith(DoSecond);
             Task t3 = t2.ContinueWith(DoSecond);
             Task t4 = t3.ContinueWith(DoSecond);
             Task t5 = t4.ContinueWith(DoSecond,TaskContinuationOptions.PreferFairness);
             t1.Start();

无论前一个任务是如何结束的,前 面 的连续任务总是在前一个任务结束时启 动 。 使用TaskContinuationOptions 枚举中的值,可 以指定,连续任务只有在起始任务成功（或失败）结束时启动。

　　3.3任务层次的结构

  static void ParentAndChild()
         {
             var parent = new Task(ParentTask);
             parent.Start();
             Thread.Sleep();
             Console.WriteLine(parent.Status);
             Thread.Sleep();
             Console.WriteLine(parent.Status);
             Console.WriteLine();
         }
         private static void ParentTask()
         {
             Console.WriteLine("task id {0}",Task.CurrentId);
             var child = new Task(ChildTask);
             child.Start();
             Thread.Sleep();
             Console.WriteLine("parent started child");
         }

         private static void ChildTask()
         {
             Console.WriteLine("child");
             Thread.Sleep();
             Console.WriteLine("child finished");
         }

如果父任务在子任务之前结束 ,父 任务的状态就显示为WaitingForChildrenToComplete.只要子任务也结束 时,父任务的状态就变成RanToCompletion。 ·

4 取消架构

　　4.1Parallel.For()方法的取消

 var cts = new CancellationTokenSource();
             cts.Token.Register(() => Console.WriteLine("token canceled"));
             ); cts.Cancel(false); }).Start();
             try
             {
                 ParallelLoopResult result = Parallel.For(, , new ParallelOptions() { CancellationToken = cts.Token, }, x =>
                 {
                     Console.WriteLine("loop {0} started", x);
                     ;
                     ; i < ; i++)
                     {
                         Thread.Sleep();
                         sun += i;
                     }
                     Console.WriteLine("loop {0} finished",x);
                 });
             }
             catch (Exception ex)
             {
                 Console.WriteLine(ex.Message);
             }

　　4.2任务的取消

　　同样的取消模式也可用于任务。

5 线程池

　　如果有不同的小任务要完成,就可以事先创建许多线程 ,· 在应完成这些任务时发出请求。 这个线程数最好在需要更多的线程时增加,在 需要释放资源时减少。不需要自己创建这样一个列表。 该列表由 ThreadPool类 托管。 这个类会在需要时增减池中线程的线程数,直 到最大的线程数。 池中的最大线程数是可配置的。如果有更多的作业要处理,线 程池中线程的个数也到了极限,最 新的作业就要排队,且 必须等待线程完成其任务。

  static void Main(string[] args)
         {
             int nWorkerThreads;
             int nCompletionPortThreads;
             ThreadPool.GetMaxThreads(out nWorkerThreads, out nCompletionPortThreads);
             Console.WriteLine("nWorkerThreads:{0},nCompletionPortThreads:{1}", nWorkerThreads, nCompletionPortThreads);

             ; i < ; i++)
             {
                 ThreadPool.QueueUserWorkItem(JobForAThread);
             }
             Thread.Sleep();
             Console.ReadKey();
         }
         static void JobForAThread(object obj)
         {
             ; i < ; i++)
             {
                 Console.WriteLine("loop:{0},running inside pooled thread{1}",i,Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
                 Thread.Sleep();
             }
         }

　　线程池使用起来很简单,但 它有一些限制 :

• 线程池 中 的所有线程都是后 台线程 。 如 果进程 的所有前 台线程都结束 了,所 有 的后 台线程就会停止 。 不能把入池的线程改为前台线程 。
• 不 能给入池的线程设置优先级或名 称 。
• 入池的线程只能用 于时间较短的任务 。 如 果线程要一直运行(如 Word的 拼写检查器线程),就应使用 Therd类创 建一个线程

6 Therd类

使用Thread类可以创建和控制线程，

 new Thread(() => { Console.WriteLine("Running in thread"); }).Start();
             Console.WriteLine("this is the main thread");

　　6.1给后台线程传递数据

　　给线程传递一些数据可以采用2中方式，一种是使用带ParameterizdThreadStart委托参数的Thread构造函数，另一种方式是常见一个自定义的类，把线程的方法定义为实例方法。

　　6.2后台任务

　　只要有一个前台相称在运行，程序的进程就在运行，如果前台多个线程在运行，而Main()方法结束了，应用程序的进程直到所有前台完成其任务前都处于激活状态。默认情况下，用Thread创建的线程为前台线程，线程池中的线程为总是为后台线程。Thread类可以设置IsBackground属性设置是否为前台线程。

 static void Main(string[] args)
         {
             var t1 = new Thread(ThreadMain) { Name = "NewThread", IsBackground = false };
             t1.Start();
             Console.WriteLine("Main thread ending now");
             Console.ReadKey();
         }

         static void ThreadMain()
         {
             Console.WriteLine("Thread {0} statrted",Thread.CurrentThread.Name);
             Thread.Sleep();
             Console.WriteLine("Thread {0} completed",Thread.CurrentThread.Name);
         }

　　6.3线程的优先级

　　线 程曲操作系统调度。 给线程指定优先级,就 可 以影响调度顺序。在Thread类中，可以设置Priority属性设置线程的优先级，Priority属性需要ThreadPriority枚举定义的一个值，定义级别有Highest,AboveNormal,Normal,BelowNormal和Lowest。

　　6.4控制线程

　　调用 Thread对 象的Start()方 法,可 以创建线程。 但是,在 调用Strat()方法后,新线程仍不是处于 Running状态,而 是处于 Unstarted状 态。 只要操作系统的线程调度器选择了要运行的线程,线程就会改为Running状态 。 读取Thread.ThreadState属 性,就可以获得线程的当前状态。使用 Thread.Sleep() 方法 ,会使线程处于WaitSleepJoin状态,在 经历Sleep()方法定义的时间段后 ,线程就会等待再次被唤醒。要停止另一个线程,可 以调用Thread.Abort()方 法。 调用这个方法时,会 在接到终止命令的线程中抛出一个ThreadAbortException类 型的异常。 用一个处理程序捕获这个异常,线程可 以在结束前完成一些清理工作。如 果需要等待线程的结束,就 可 以调用Thread.Join()方 法 。此方 法会停止当前线程 ,并把它设置为WaitSleepJoin状 态 ,直 到加入 的线程完成为止 。

7线程问题

　　7.1争用条件

　　如果两个或多个线程访问相同的对象,或 者访问不同步的共享状态,就会出现争用条件。

　　7.2死锁

　　过多的锁定也会有麻烦。 在死锁中,至少有两个线程被挂起,并等待对方解除锁定。 由于两个线程都在等待对方,就 出现了死锁,线程将无限等待下去。

8 同步

　　8.1 Lock语句和线程安全

　　C#为多个线程的同步提供了 自己的关键字:lock语 句 。 lock语 句是设置锁定和解除锁定的一种简单方式。

  static void Main()
         {
             ;
             var state = new ShareState();
             var tasks = new Task[numTask];
             ; i < numTask; i++)
             {
                 tasks[i] = new Task(new Job(state).DoWork);
                 tasks[i].Start();
             }

             ; i < numTask; i++)
             {
                 tasks[i].Wait();
             }
             Console.WriteLine("Sun :{0}",state.State);
             Console.ReadKey();
         }
     }
     public class Job
     {
         ShareState shareState;
         public Job(ShareState shareState)
         {
             this.shareState = shareState;
         }
         public void DoWork()
         {
             ; i < ; i++)
             {
                 shareState.State += ;
             }
         }
     }
     public class ShareState
     {
         public int State { get; set; }
     }

上面的代码，因为执行了5000次循环，有20个任务，所以输出的值应为100000，但是，事实并非如此。使用Lock修改DoWork方法

   public void DoWork()
         {
             ; i < ; i++)
             {
                 lock (shareState)
                 shareState.State += ;
             }
         }

这样结果总是正确的。但是在一个地方使用Lock语句并不意味着，访问对象的其他线程都在等待，必须对每个访问共享状态的线程显示的使用同步功能。继续需改

   static void Main()
         {
             ;
             var state = new ShareState();
             var tasks = new Task[numTask];
             ; i < numTask; i++)
             {
                 tasks[i] = new Task(new Job(state).DoWork);
                 tasks[i].Start();
             }

             ; i < numTask; i++)
             {
                 tasks[i].Wait();
             }
             Console.WriteLine("Sun :{0}", state.State);
             Console.ReadKey();
         }
     }
     public class Job
     {
         ShareState shareState;
         public Job(ShareState shareState)
         {
             this.shareState = shareState;
         }
         public void DoWork()
         {
             ; i < ; i++)
             {
                 shareState.IncrementState();
             }
         }
     }
     public class ShareState
     {
         ;
         private object obj = new object();
         public int State
         {
             get
             {
                 return state;
             }
         }
         public int IncrementState()
         {
             lock(obj)
                 return ++state;
         }
     }

　　8.2 Interlocked类

　　Ihterlockcd类用 于使变量的简单语旬原子化。 i++不是线程安全的,它 的操作包括从内存中获取一个值,给该值递增 1,再 将它存储回内存。 这些操作都可能会被线程调度器打断。 Ihterlocked类提供了以线程安全的方式递增、 递减、'交换和读取值的方法。 与其他同步技术相 比,使用 Ihterlocked类 会快得多。 但是,它 只能用于简单的同步问题。

　　8.3 Monitor类

　　C#的lock语 句 ,由编译器解析为使用monitor类，与C#的 lock语 句相 比,Monitor 类的主要优点是:可 以添加一个等待被锁定的超时值 。 这样就不会无限期地等待被锁定.

 object obj = new object();
             bool lockTaken = false;
             Monitor.TryEnter(obj, , ref lockTaken);
             if (lockTaken)
             {
                 try
                 {
                     //已经锁定，想干嘛就干嘛吧
                 }
                 finally
                 {
                     Monitor.Exit(obj);
                 }
             }
             else
             {
                 //没有锁定，小心喽
             }

　　8.4 Mutex类

　　Mutex【Mutual exclusion ,互 斥)是.Net Freamwork中 提供跨多个进程同步访问的一个类 由于系统能识别有名称的互斥,因 此可 以使用 它禁止应用程序启动两次

   static class Program
     {
         /// <summary>
         /// 应用程序的主入口点。
         /// </summary>
         [STAThread]
         static void Main()
         {
             bool createNew;

             Mutex m = new Mutex(false, "test", out createNew);
             if (!createNew)
             {
                 MessageBox.Show("程序已启动");
                 Application.Exit();
                 return;
             }
             Application.EnableVisualStyles();
             Application.SetCompatibleTextRenderingDefault(false);
             Application.Run(new Form1());
         }
     }