1.1 Thread 基础

在 C# 中,是使用 Thread 类来创建以及管理线程的,通过这种方式创建的线程称为托管线程,因为它归 CLR 管理,需要 GC 分配和回收内存空间, Thread 类是我们了解 C# 多线程的必须掌握的基础,接下来我们将会尝试使用代码创建一个托管线程。

学习多线程的第一步,就是学习 Thread。在本章中,我们将学习如何创建 Thread 对象,以及通过 Thread 对线程进行管理。

获取当前线程信息

一个不具有代码执行内容的 C# 启动模板代码如下:

public class Program
{
    static void Main()
    {

    }
 }

如果我们运行上面的代码,当程序启动时,进程需要启动第一个线程,以便执行代码,第一个启动的线程,一般称为主线程,与 C 语言等语言相比,C 语言程序启动时,是由操作系统注入线程的,而 C# 则是由 CLR 注入第一个线程,进程中的主线程只有一个。在 .NET 程序中,主线程会执行 Main() 中的代码,一旦 Main() 完成,程序便会结束,即主线程的结束,进程便会结束,因此主线程的生命周期即进程的生命周期

由于程序启动时,便有第一个线程,而在线程执行的函数中,是可以通过代码获取当前正在执行的线程对象。

Thread.CurrentThread 是一个 静态的 Thread 类,Thread 的CurrentThread 属性,可以获取到当前运行线程的一些信息,其定义如下:

public static System.Threading.Thread CurrentThread { get; }
public class Program
{
    static void Main()
    {
        var currentThread = Thread.CurrentThread;
    }
}

获取当前正在执行的线程对象后,我们可以打印这个线程的一些信息:


    static void Main()
    {
        var currentThread = Thread.CurrentThread;
        Console.WriteLine("线程标识:" + currentThread.Name);
        Console.WriteLine("当前地域:" + currentThread.CurrentCulture.Name);
        Console.WriteLine("线程执行状态:" + currentThread.IsAlive);
        Console.WriteLine("是否为后台线程:" + currentThread.IsBackground);
        Console.WriteLine("是否为线程池线程" + currentThread.IsThreadPoolThread);
    }

输出结果如下:

线程标识:
当前地域:zh-CN
线程执行状态:True
是否为后台线程:False
是否为线程池线程False

Thread 类有很多属性和方法,这里就不列举了,后面的学习会慢慢熟悉更多 API 和深入了解使用。

创建线程

Thread 是 .NET CLR 中的线程管理对象,程序员通过 Thread 去使用多线程,而不需要关注线程的栈内存分配、如何创建以及回收内存。

Thread 类有以下构造函数:

public Thread(ParameterizedThreadStart start);

public Thread(ThreadStart start);

public Thread(ParameterizedThreadStart start, int maxStackSize);

public Thread(ThreadStart start, int maxStackSize);

下面笔者将介绍如何创建线程以及创建线程时如何进行参数传递。

ParameterizedThreadStart

ParameterizedThreadStart 是一个委托,其参数是一个 object 类型,当进行参数传递时,需要进行类型转换甚至装箱拆箱操作。

public delegate void ParameterizedThreadStart(object? obj);

代码示例如下:

        static void Main(string[] args)
        {
            string myParam = "abcdef";
            ParameterizedThreadStart parameterized = new ParameterizedThreadStart(OneTest);
            Thread thread = new Thread(parameterized);
            thread.Start(myParam);
            Console.ReadKey();
        }

        public static void OneTest(object obj)
        {
            string str = obj as string;
            if (string.IsNullOrEmpty(str))
                return;

            Console.WriteLine("新的线程已经启动");
            Console.WriteLine(str);
        }

通过这种方式创建的线程,有且只能有一个 object 参数,不灵活。

ThreadStart

ThreadStart 是一个无参数委托,其定义如下:

public delegate void ThreadStart();

使用 ThreadStart 时,不需要作为参数传递,可以通过使用静态变量或类成员变量共享信息。

优点是不需要装箱拆箱,多线程可以共享空间;缺点是变量是大家都可以访问,此种方式在多线程竞价时,可能会导致多种问题(可以加锁解决)。

下面使用两个变量实现数据传递:

    class Program
    {
        private static string A = "成员变量";        // 通过静态字段传递信息
        static void Main(string[] args)
        {
            Thread thread1 = new Thread(OneTest1);
            thread1.Name = "Test1";
            thread1.Start();

            Console.ReadKey();
        }

        public static void OneTest1()
        {
            Console.WriteLine("新的线程已经启动");
            Console.WriteLine(A);       // 本身对象的其它成员
        }
    }

委托与Lambda

上面两种方式创建线程和需要进行数据传递时,不灵活,太死板,在日常开发中,我们可以通过委托的方式,快速创建一个线程以及传递任意参数:

    static void Main()
    {
        Thread thread1 = new Thread(() =>
        {
            // 要执行的代码
        });
        thread1.Start();

        var url = "https://baidu.com";
        var method = "GET";
        Thread thread2 = new Thread(() =>
        {
            Download(url, method);
        });
        thread2.Start();
    }

    public static void Download(string url, string method)
    {
        if (method == "GET")
        {
            new HttpClient().GetAsync(url);
        }
        else if (method == "POST")
        {
            new HttpClient().PostAsync(url, null);
        }
    }

[info] 提示

如果需要并发执行的代码比较简单,可以直接写进委托中 ()=>{ //代码 },不需要另外写方法。

可以看到,C# 是多么的方便。

管理线程状态

Thread.ThreadState 中,标识了线程的执行状态,ThreadState 的枚举定义如下:

    [Flags]
    public enum ThreadState
    {
        Running = 0x0,
        StopRequested = 0x1,
        SuspendRequested = 0x2,
        Background = 0x4,
        Unstarted = 0x8,
        Stopped = 0x10,
        WaitSleepJoin = 0x20,
        Suspended = 0x40,
        AbortRequested = 0x80,
        Aborted = 0x100
    }
枚举 说明
Aborted 256 该线程现在已死,但其状态尚未更改为 Stopped
AbortRequested 128 已对线程调用了 Abort(Object) 方法,但线程尚未收到试图终止它的挂起的 ThreadAbortException
Background 4 线程正作为后台线程执行
Running 0 线程已启动且尚未停止
Stopped 16 线程已停止
StopRequested 1 正在请求线程停止
Suspended 64 线程已挂起
SuspendRequested 2 正在请求线程挂起
Unstarted 8 尚未对线程调用 Start() 方法
WaitSleepJoin 32 线程阻塞中

演示代码:

    static void Main()
    {
        var currentThread = Thread.CurrentThread;
        Console.WriteLine(currentThread.ThreadState);
    }

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要注意,上面这么多枚举中,并不都是线程的运行状态,例如 Background 只是表明此线程属于后台线程,不能表示此线程是正在运行还是已经停止。我们要区分线程生命周期和信息两部分,像 RunningStopped 等,属于线程生命周期状态的枚举,而 Background 属于标记信息。

.NET Thread 的 Thread.ThreadState 表示的线程生命周期变更关系如下:

file

另外,需要注意的是,线程的 ThreadState 属性,并不能表面线程实时状态。

因为线程执行时,可能会被 CPU 夺取时间片,这个时间是极短的,可能就几个指令时间,因此当你大代码完成判断时,线程已经被挂起。

        if ((currentThread.ThreadState | ThreadState.Running) == currentThread.ThreadState)
        {
            //
        }

在 .NET 中,描述线程的状态有两个枚举:

System.Diagnostics.ThreadState
System.Threading.ThreadState

System.Diagnostics.ThreadState 表示操作系统中线程的状态,主要目的用于调试,请参考:https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.diagnostics.threadstate?view=net-6.0

System.Threading.ThreadState 里面有很多枚举类型是没有用处的,我们可以使用一个这样的方法来获取更加有用的信息:

        public static ThreadState GetThreadState(ThreadState ts)
        {
            return ts & (ThreadState.Unstarted |
                ThreadState.WaitSleepJoin |
                ThreadState.Stopped);
        }

UnsafeStart

使用 UnsafeStart() 启动的线程不捕获执行上下文。

在一些场景下我们需要在默认执行上下文中延迟创建线程池线程和计时器线程,因为使用 Start() 启动的线程需要在初始化一些工作,这会在线程上创建一个额外的堆栈帧,并可能导致 AsyncLocal 值更改通知被不必要地发送(请参考https://github.com/dotnet/runtime/pull/46181),UnsafeStart 避免捕获当前执行上下文并在线程运行时恢复它。关于上下文这些东西,后面会说到,这里不必关注。

两者的在调用时,差异在 captureContext 参数:

    [UnsupportedOSPlatform("browser")]
    public void Start()
    {
        Start(captureContext: true);
    }

    [UnsupportedOSPlatform("browser")]
    public void UnsafeStart()
    {
        Start(captureContext: false);
    }

从 CLR 源码中获得。

目前有以下地方使用到 UnsafeStart

  • FileSystemWatcher
  • SocketAsyncEngine
  • CounterGroup
  • ThreadPoolTaskScheduler

休眠与阻塞

Thread.Sleep()Thread.Yield() 方法可以将当前线程挂起一段时间。

Thread.Join() 方法可以阻塞当前线程一直等待另一个线程运行至结束,需要两个线程配合。

在等待线程 Sleep()Join() 的过程中,线程是阻塞的(Blocket)。

阻塞的定义:当线程由于特定原因暂停执行,那么它就是阻塞的。如果线程处于阻塞状态,线程就会交出他的 CPU 时间片,并且不会消耗 CPU 时间,直至阻塞结束,即线程会阻塞,但是 CPU 会继续找到其他未阻塞的线程继续执行指令,避免 CPU 空闲。阻塞会发生 CPU 从一个线程换到另一个线程执行,即上下文切换。

Thread.Sleep() 使用方式如下:

    static void Main()
    {
        for (int i = 0; i < 100; i++)
        {
            Console.WriteLine(i);
            Thread.Sleep(1000);
        }
    }

通过 Thread.Sleep() 控制每秒只打印一次信息。

Thread.Sleep() 将会导致线程立即放弃自己的时间片,将 CPU 交于其他的线程,而 Thread.Yield() 虽然交出时间片,但是它只会将资源交给同一个处理器上运行的线程

public static void Sleep(int millisecondsTimeout)
public static bool Yield()        // 如果操作系统转而执行另一个线程,则为 true;否则为 false。

另一方面,及时没有其它线程要运行了,Thread.Sleep(xxx) 也会保证当前的线程继续休眠一段时间,而 Thread.Yield() 则会让不出来(没有其它线程可以要用 CPU),而且 Thread.Yield() 只是把 CPU 让一下,很快又会被分配时间片的。当然,如果是使用 Thread.Sleep(0) ,也会达到相同效果。

Thread.Sleep(0)Thread.Yield 在高级性能调优方面非常有用,同时它还是一种很好的诊断工具,可用于帮助开发者发现与线程安全相关的问题。

Thread.Join() 则是 A 线程等待 B 线程执行完成,A 线程才能继续执行。

代码示例如下:

    static void Main()
    {
        var thread = new Thread(Print);
        Console.WriteLine("开始执行线程 B");

        thread.Start();

        // 开始等待另一个完成完成
        thread.Join();
        Console.WriteLine("线程 B 已经完成");
    }

    public static void Print()
    {
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            Console.WriteLine(i);
            Thread.Sleep(1000);
        }
    }

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终止

.Abort() 方法不能在 .NET Core 上使用,不然会出现 System.PlatformNotSupportedException:“Thread abort is not supported on this platform.”

不过这里还是列一下 .Abort() 的 API:

方法 说明
Abort() 在调用此方法的线程上引发 ThreadAbortException,以开始终止此线程的过程。 调用此方法通常会终止线程。
Abort(Object) 引发在其上调用的线程中的 ThreadAbortException以开始处理终止线程,同时提供有关线程终止的异常信息。 调用此方法通常会终止线程。

Abort() 方法给线程注入 ThreadAbortException 异常,导致线程被终止。

虽然 .Abort() 不能用,但是还有 Thread.Interrupt() 可以用,它可以中断处于 WaitSleepJoin 线程状态的线程

示例代码如下,在 Print 函数结束前,按下回车键,都会导致函数中止。

    static void Main()
    {
        var thread = new Thread(Print);
        Console.WriteLine("开始执行线程 B");

        thread.Start();

        _ = Console.ReadLine();

        thread.Interrupt();

        Console.ReadKey();
    }

    public static void Print()
    {
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            Console.WriteLine(i);
            Thread.Sleep(1000);
        }
    }

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可见,当对另一个线程调用 Interrupt 时,会弹出 System.Threading.ThreadInterruptedException 异常,导致线程中止。在调试环境下,可能会导致 Vistual Studio 弹出异常,直接启动编译后的程序,则不会弹出异常。

注意,如果线程不会处于 WaitSleepJoin 状态,而是一直运行,则 Interrupt() 函数对线程无效。

代码示例如下:

    static void Main()
    {
        var thread = new Thread(Print);
        Console.WriteLine("开始执行线程 B");

        thread.Start();

        _ = Console.ReadLine();

        thread.Interrupt();
        Console.WriteLine("你按下了回车键");

        for (int i = 0; i < 100; i++)
        {
            Console.WriteLine(Value);
            Thread.Sleep(1000);
        }
        Console.ReadKey();
    }

    private static long Value = 0;

    public static void Print()
    {
        for (long i = 0; i < 1000000000000000000; i++)
        {
            Value++;
        }
    }

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你会发现,Print() 会一直挂在后台执行, Value 值不断变大。

如果你细心留意,会发现第二个 Print() 例子中的 Thread.Sleep()Console.WriteLine(); 都被去掉了,因为除了 Thread,Sleep() 会导致 WaitSleepJoinConsole.WriteLine(); 与控制台进行 IO 传输时,也会发生中断当进程/线程需要执行 IO 操作时,都会发生中断,进程/线程被暂停,等待 IO 结果,期间 CPU 会执行其他线程,中断与软硬件有关,读者可以参考计算机组成原理或操作系统方面的书籍,这里就不在细谈。

如果代码中加上 Console.WriteLine(Value); ,你会发现,thread.Interrupt(); 又起效了。

    public static void Print()
    {
        for (long i = 0; i < 1000000000000000000; i++)
        {
            Value++;
            Console.WriteLine(Value);
        }
    }

[success] 总结

通过 .Interrupt() 函数,可以让处于 WaitSleepJoin 状态的线程抛出异常而停止。可以使用 Sleep()Join() 方式使得线程休眠,也可以让线程执行 IO 操作如读写文件、读取或输出控制台终端等发生中断导致线程挂起。

线程的不确定性

线程的不确定性是指几个并发运行的线程,不确定下一次 CPU 时间片会分配给谁(当然,分配有优先级)。

多线程是并发运行的,但一般 CPU 没有那么多核,不可能在同一时刻执行所有的线程。CPU 会决定某个时刻将时间片分配给多个线程中的一个线程,这就出现了 CPU 的时间片分配调度。

执行下面的代码示例,你可以看到,两个线程打印的顺序是不确定的,而且每次运行结果都不同。

CPU 有一套公式确定下一次时间片分配给谁,但是比较复杂,需要学习计算机组成原理和操作系统。

        static void Main(string[] args)
        {
            Thread thread1 = new Thread(Test1);
            Thread thread2 = new Thread(Test2);

            thread1.Start();
            thread2.Start();

            Console.ReadKey();
        }

        public static void Test1()
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                Console.WriteLine("Test1:" + i);
            }
        }
        public static void Test2()
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                Console.WriteLine("Test2:" + i);
            }
        }

[info] 提示

上面代码每次执行输出的结果都不一样。

数据不要直接跨线程使用

有以下代码:

    static void Main(string[] args)
    {
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            new Thread(() =>
            {
                Console.WriteLine(i);
            }).Start();
        }
    }

代码很简单,启动 10 个线程,分别输出 i 的值。按照设想,虽然线程并发运行时具有不确定性,那么最终会输出 0-9,但是会乱序。可是,程序启动后,输出结果是这样的:

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这是因为线程在不同的 CPU 核心上运行,而 CPU 与内存之间具有 寄存器、L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache、内存 多级结构,如果不对内存进行锁定,那么在一个 CPU 核心修改了变量的值但是还没有写回到内存中,而另一个 CPU 读取了旧的值时,便会出现脏读。

你可以改成这样:

    static void Main(string[] args)
    {
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            new Thread(() =>
            {
                var value = i;
                Console.WriteLine(value);
            }).Start();
        }
    }

这样,每个线程单独存储一个变量,读写时不会相互干扰。后面的章节中,会继续讨论 volatile 关键字和线程同步问题,这里就不再赘述。

线程优先级、前台线程和后台线程

Thread.Priority 属性用于设置线程的优先级,Priority 是一个 ThreadPriority 类型枚举,其枚举类型如下

枚举 说明
AboveNormal 3 可以将 安排在具有 Highest 优先级的线程之后,在具有 Normal 优先级的线程之前。
BelowNormal 1 可以将 Thread 安排在具有 Normal 优先级的线程之后,在具有 Lowest 优先级的线程之前。
Highest 4 可以将 Thread 安排在具有任何其他优先级的线程之前。
Lowest 0 可以将 Thread 安排在具有任何其他优先级的线程之后。
Normal 2 可以将 Thread 安排在具有 AboveNormal 优先级的线程之后,在具有 BelowNormal 优先级的线程之前。 默认情况下,线程具有 Normal 优先级。

优先级排序:Highest > AboveNormal > Normal > BelowNormal > Lowest

Thread.IsBackgroundThread 可以设置线程是否为后台线程。

前台线程的优先级大于后台线程,并且程序需要等待所有前台线程执行完毕后才能关闭;而当程序关闭时,无论后台线程是否在执行,都会强制退出。对于前台线程,如果前台线程抛出异常,则会导致程序异常终止。

如果线程优先级设置过大,则可能会干涉到系统运行,如 磁盘写入、鼠标点击等都是高速运转的,如果程序中有太多高优先级的线程,那么系统需要分配大量 CPU 时间运行这些线程的代码,可能会导致系统无响应或响应缓慢。当然,如果你的程序要执行大量 IO 操作或者需要实时交互需要低延迟,则可以设置为高优先级。如果线程优先级过低,则可能导致线程饥饿,迟迟得不到 CPU 时间片,导致如窗口界面无响应。

异常处理

.NET 中的线程有前台线程和后台线程之分,前台线程的线程内部发生错误时,会影响整个进程,导致进程异常并退出。

    static void Main(string[] args)
    {
        new Thread(() =>
        {
            throw new NotImplementedException();
        })
        {
            IsBackground = false
        }.Start();

        Console.ReadKey();
    }

image-20220327144415497

而线程的中的异常,只能由线程内部自行捕获,外部无法处理。

下面代码示例中,是一种错误做法:

        try
        {
            new Thread(() =>
            {
                throw new NotImplementedException();
            }).Start();
        }
        catch (Exception ex) { }

正确做法是:

        new Thread(() =>
        {
            try
            {
                throw new NotImplementedException();
            }
            catch (Exception ex) { }
        }).Start();
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