併發編程 ---為何要線程池化_ZenDei技術網路在線

## 引言眾所周知，使用線程可以極大的提高應用程式的效率和響應性，提高用戶體驗，但是不可以無節制的使用線程，為什麼呢？ ## 線程的開銷線程的開銷實際上是非常大的，我們從空間開銷和時間開銷上分別討論。 ### 線程的空間開銷線程的空間開銷來自這四個部分： 1. 線程內核對象(Thread Ke ...

引言

眾所周知，使用線程可以極大的提高應用程式的效率和響應性，提高用戶體驗，但是不可以無節制的使用線程，為什麼呢？

線程的開銷

線程的開銷實際上是非常大的，我們從空間開銷和時間開銷上分別討論。

線程的空間開銷

線程的空間開銷來自這四個部分：

線程內核對象(Thread Kernel Object)。每個線程都會創建一個這樣的對象，它主要包含線程上下文信息，在32位系統中，它所占用的記憶體在700位元組左右。
線程環境塊(Thread Environment Block)。TEB包括線程的異常處理鏈，32位系統中占用4KB記憶體。
用戶模式棧(User Mode Stack),即線程棧。線程棧用於保存方法的參數、局部變數和返回值。每個線程棧占用1024KB的記憶體。要用完這些記憶體很簡單，寫一個不能結束的遞歸方法，讓方法參數和返回值不停地消耗記憶體，很快就會發生 OutOfMemoryException 。
內核模式棧(Kernel Mode Stack)。當調用操作系統的內核模式函數時，系統會將函數參數從用戶模式棧複製到內核模式棧。在32位系統中，內核模式棧會占用12KB記憶體。

線程的時間開銷

線程的時間開銷來自這三個過程：

線程創建的時候，系統相繼初始化以上這些記憶體空間。
接著CLR會調用所有載入DLL的DLLMain方法，並傳遞連接標誌（線程終止的時候，也會調用DLL的DLLMain方法，並傳遞分離標誌)。
線程上下文切換。一個系統中會載入很多的進程，而一個進程又包含若幹個線程。但是一個CPU內核在任何時候都只能有一個線程在執行。為了讓每個線程看上去都在運行，系統會不斷地切換“線程上下文”：每個線程及其短暫的執行時間片，然後就會切換到下一個線程了。

這個線程上下文切換過程大概又分為以下5個步驟：
- 步驟1進入內核模式。
- 步驟2將上下文信息（主要是一些CPU寄存器信息）保存到正在執行的線程內核對象上。
- 步驟3系統獲取一個 Spinlock ，並確定下一個要執行的線程，然後釋放 Spinlock 。如果下一個線程不在同一個進程內，則需要進行虛擬地址交換。
- 步驟4從將被執行的線程內核對象上傳入上下文信息。
- 步驟5離開內核模式。

所以，由於要進行如此多的工作，所以創建和銷毀一個線程就意味著代價“昂貴”，即使現在的CPU多核多線程，如無節制的使用線程，依舊會嚴重影響性能。

引入線程池

為了免程式員無節制地使用線程，微軟開發了“線程池”技術。簡單來說，線程池就是替開發人員管理工作線程。當一項工作完畢時，CLR不會銷毀這個線程，而是會保留這個線程一段時間，看是否有別的工作需要這個線程。至於何時銷毀或新起線程，由CLR根據自身的演算法來做這個決定。

線程池技術能讓我們重點關註業務的實現，而不是線程的性能測試。

微軟除實現了線程池外，還需要關註一個類型：BackgroundWorker。 BackgroundWorker 是在內部使用了線程池的技術：同時，在WinForm或WPF編碼中，它還給工作線程和UI線程提供了交互的能力。

實際上， Thread 和 ThreadPool 預設都沒有提供這種交互能力，而 BackgroundWorker 卻通過事件提供了這種能力。這種能力包括：報告進度、支持完成回調、取消任務、暫停任務等。

BackgroundWorker 的簡單示例如下：

private BackgroundWorker backgroundWorker = new BackgroundWorker();

private void AsyncButton_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    //註冊要執行的任務
    backgroundWorker.DoWork += BackgroundWorker_DoWork;
    //註冊報告進度
    backgroundWorker.ProgressChanged += BackgroundWorker_ProgressChanged;
    //註冊完成時的回調
    backgroundWorker.RunWorkerCompleted += BackgroundWorker_RunWorkerCompleted;
    //設置允許任務取消
    backgroundWorker.WorkerSupportsCancellation = true;
    //設置允許報告進度
    backgroundWorker.WorkerReportsProgress = true;
    backgroundWorker.RunWorkerAsync();
}
private void Cancel_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    //取消任務
    if (backgroundWorker.IsBusy)
        backgroundWorker.CancelAsync();
}
private void BackgroundWorker_RunWorkerCompleted(object? sender, RunWorkerCompletedEventArgs e)
{
    //完成時回調
    MessageBox.Show("BackgroundWorker RunWorkerCompleted");
}

private void BackgroundWorker_ProgressChanged(object? sender, ProgressChangedEventArgs e)
{   
    //報告進度
    this.textbox.Text = e.ProgressPercentage.ToString();
}

private void BackgroundWorker_DoWork(object? sender, DoWorkEventArgs e)
{
    BackgroundWorker? worker = sender as BackgroundWorker;

    if (worker != null)
    {
        for (int i = 0; i < 20; i++)
        {
            if (worker.CancellationPending)
            {
                e.Cancel = true;
                break;
            }
            worker.ReportProgress(i);

            Thread.Sleep(100);
        }
    }
}

建議使用WinForm和WPF的開發人員使用 BackgroundWorker。

Task替代ThreadPool

ThreadPool 相對於 Thread 來說具有很多優勢，但是 ThreadPool 在使用上卻存在一定的不方便。比如：

ThreadPool 不支持線程的取消、完成、失敗通知等交互性操作。
ThreadPool 不支持線程執行的先後次序。

所以隨著 Task 類及其所提供的非同步編程模型的引入，Task相較ThreadPool具有更多的優勢。大概有一下幾點：

Task是.NET Framework的一部分，它提供了更高級別的抽象來表示非同步操作或併發任務。相比之下，ThreadPool較為底層，需要手動管理線程池和任務隊列。通過使用Task，我們可以以更簡潔、更可讀的方式表達併發邏輯，而無需關註底層線程管理的細節。
Task是基於Task Parallel Library（TPL）構建的核心組件，它提供了強大的非同步編程支持。利用Task，我們能夠輕鬆定義非同步方法、等待非同步操作完成以及處理任務結果。與此相反，ThreadPool主要用於執行委托或操作，缺乏直接的非同步編程功能。
Task在底層使用ThreadPool來執行任務，但它提供了更優秀的性能和資源管理機制。通過使用Task，我們可以利用TPL提供的任務調度器，智能化地管理線程池的大小、工作竊取演算法和任務優先順序。這樣一來，我們能夠更有效地利用系統資源，並獲得更好的性能表現。
Task擁有強大的任務關聯和組合功能。我們可以使用Task的 ContinueWith() 、 When() 、WhenAll() 、Wait()等方法定義任務之間的依賴關係，以及在不同任務完成後執行的操作。這種任務組合方式使併發編程更加靈活且易於管理。
Task提供了更好的異常處理和取消支持機制。我們可以利用Task的異常處理機制捕獲和處理任務中的異常，而不會導致整個應用程式崩潰。此外，Task還引入 CancellationToken 的概念，可用於取消任務的執行，從而更好地控制併發操作。