C#多線程編程系列（四）- 使用線程池

来源:https://www.cnblogs.com/InCerry/archive/2018/08/06/9432804.html
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[TOC] 1.1 簡介 在本章中，主要介紹 線程池(ThreadPool) 的使用；在C 中它叫 ，在使用線程池之前首先我們得明白一個問題，那就是為什麼要使用線程池。其主要原因是 創建一個線程的代價是昂貴的 ，創建一個線程會消耗很多的系統資源。 那麼線程池是如何解決這個問題的呢？線程池在初始時會自 ...


目錄

1.1 簡介

在本章中，主要介紹線程池(ThreadPool)的使用；在C#中它叫System.Threading.ThreadPool，在使用線程池之前首先我們得明白一個問題，那就是為什麼要使用線程池。其主要原因是創建一個線程的代價是昂貴的，創建一個線程會消耗很多的系統資源。

那麼線程池是如何解決這個問題的呢？線程池在初始時會自動創建一定量的線程供程式調用，使用時，開發人員並不直接分配線程，而是將需要做的工作放入線程池工作隊列中，由線程池分配已有的線程進行處理，等處理完畢後線程不是被銷毀，而是重新回到線程池中，這樣節省了創建線程的開銷。

但是在使用線程池時，需要註意以下幾點，這將非常重要。

  • 線程池不適合處理長時間運行的作業，或者處理需要與其它線程同步的作業。
  • 避免將線程池中的工作線程分配給I/O首先的任務，這種任務應該使用TPL模型。
  • 如非必須，不要手動設置線程池的最小線程數和最大線程數，CLR會自動的進行線程池的擴張和收縮，手動干預往往讓性能更差。

1.2 線上程池中調用委托

本節展示的是如何線上程池中如何非同步的執行委托，然後將介紹一個叫非同步編程模型(Asynchronous Programming Model，簡稱APM)的非同步編程方式。

在本節及以後，為了降低代碼量，在引用程式集聲明位置預設添加了using static System.Console和using static System.Threading.Thead聲明，這樣聲明可以讓我們在程式中少些一些意義不大的調用語句。

演示代碼如下所示，使用了普通創建線程和APM方式來執行同一個任務。

static void Main(string[] args)
{
    int threadId = 0;

    RunOnThreadPool poolDelegate = Test;

    var t = new Thread(() => Test(out threadId));
    t.Start();
    t.Join();

    WriteLine($"手動創建線程 Id: {threadId}");

    // 使用APM方式 進行非同步調用  非同步調用會使用線程池中的線程
    IAsyncResult r = poolDelegate.BeginInvoke(out threadId, Callback, "委托非同步調用");
    r.AsyncWaitHandle.WaitOne();

    // 獲取非同步調用結果
    string result = poolDelegate.EndInvoke(out threadId, r);

    WriteLine($"Thread - 線程池工作線程Id: {threadId}");
    WriteLine(result);

    Console.ReadLine();
}

// 創建帶一個參數的委托類型
private delegate string RunOnThreadPool(out int threadId);

private static void Callback(IAsyncResult ar)
{
    WriteLine("Callback - 開始運行Callback...");
    WriteLine($"Callback - 回調傳遞狀態: {ar.AsyncState}");
    WriteLine($"Callback - 是否為線程池線程: {CurrentThread.IsThreadPoolThread}");
    WriteLine($"Callback - 線程池工作線程Id: {CurrentThread.ManagedThreadId}");
}

private static string Test(out int threadId)
{
    string isThreadPoolThread = CurrentThread.IsThreadPoolThread ? "ThreadPool - ": "Thread - ";

    WriteLine($"{isThreadPoolThread}開始運行...");
    WriteLine($"{isThreadPoolThread}是否為線程池線程: {CurrentThread.IsThreadPoolThread}");
    Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
    threadId = CurrentThread.ManagedThreadId;
    return $"{isThreadPoolThread}線程池工作線程Id: {threadId}";
}

運行結果如下圖所示，其中以Thread開頭的為手動創建的線程輸出的信息，而TheadPool為開始線程池任務輸出的信息，Callback為APM模式運行任務結束後，執行的回調方法，可以清晰的看到，Callback的線程也是線程池的工作線程。

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在上文中，使用BeginOperationName/EndOperationName方法和.Net中的IAsyncResult對象的方式被稱為非同步編程模型(或APM模式)，這樣的方法被稱為非同步方法。使用委托的BeginInvoke方法來運行該委托，BeginInvoke接收一個回調函數，該回調函數會在任務處理完成後背調用，並且可以傳遞一個用戶自定義的狀態給回調函數。

現在這種APM編程方式用的越來越少了，更推薦使用任務並行庫(Task Parallel Library，簡稱TPL)來組織非同步API。

1.3 向線程池中放入非同步操作

本節將介紹如何將非同步操作放入線程池中執行，並且如何傳遞參數給線程池中的線程。本節中主要用到的是ThreadPool.QueueUserWorkItem()方法，該方法可將需要運行的任務通過委托的形式傳遞給線程池中的線程，並且允許傳遞參數。

使用比較簡單，演示代碼如下所示。演示了線程池使用中如何傳遞方法和參數，最後需要註意的是使用了Lambda表達式和它的閉包機制。

static void Main(string[] args)
{
    const int x = 1;
    const int y = 2;
    const string lambdaState = "lambda state 2";

    // 直接將方法傳遞給線程池
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(AsyncOperation);
    Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

    // 直接將方法傳遞給線程池 並且 通過state傳遞參數
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(AsyncOperation, "async state");
    Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));

    // 使用Lambda表達式將任務傳遞給線程池 並且通過 state傳遞參數
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(state =>
    {
        WriteLine($"Operation state: {state}");
        WriteLine($"工作線程 id: {CurrentThread.ManagedThreadId}");
        Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
    }, "lambda state");

    // 使用Lambda表達式將任務傳遞給線程池 通過 **閉包** 機制傳遞參數
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ =>
    {
        WriteLine($"Operation state: {x + y}, {lambdaState}");
        WriteLine($"工作線程 id: {CurrentThread.ManagedThreadId}");
        Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
    }, "lambda state");

    ReadLine();
}

private static void AsyncOperation(object state)
{
    WriteLine($"Operation state: {state ?? "(null)"}");
    WriteLine($"工作線程 id: {CurrentThread.ManagedThreadId}");
    Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
}

運行結果如下圖所示。

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1.4 線程池與並行度

在本節中，主要是使用普通創建線程和使用線程池內的線程在任務量比較大的情況下有什麼區別，我們模擬了一個場景，創建了很多不同的線程，然後分別使用普通創建線程方式和線程池方式看看有什麼不同。

static void Main(string[] args)
{
    const int numberOfOperations = 500;
    var sw = new Stopwatch();
    sw.Start();
    UseThreads(numberOfOperations);
    sw.Stop();
    WriteLine($"使用線程執行總用時: {sw.ElapsedMilliseconds}");

    sw.Reset();
    sw.Start();
    UseThreadPool(numberOfOperations);
    sw.Stop();
    WriteLine($"使用線程池執行總用時: {sw.ElapsedMilliseconds}");

    Console.ReadLine();
}

static void UseThreads(int numberOfOperations)
{
    using (var countdown = new CountdownEvent(numberOfOperations))
    {
        WriteLine("通過創建線程調度工作");
        for (int i = 0; i < numberOfOperations; i++)
        {
            var thread = new Thread(() =>
            {
                Write($"{CurrentThread.ManagedThreadId},");
                Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1));
                countdown.Signal();
            });
            thread.Start();
        }
        countdown.Wait();
        WriteLine();
    }
}

static void UseThreadPool(int numberOfOperations)
{
    using (var countdown = new CountdownEvent(numberOfOperations))
    {
        WriteLine("使用線程池開始工作");
        for (int i = 0; i < numberOfOperations; i++)
        {
            ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ =>
            {
                Write($"{CurrentThread.ManagedThreadId},");
                Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1));
                countdown.Signal();
            });
        }
        countdown.Wait();
        WriteLine();
    }
}

執行結果如下，可見使用原始的創建線程執行，速度非常快。只花了2秒鐘，但是創建了500多個線程，而使用線程池相對來說比較慢，花了9秒鐘，但是只創建了很少的線程，為操作系統節省了線程和記憶體空間，但花了更多的時間。

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1.5 實現一個取消選項

在之前的文章中有提到，如果需要終止一個線程的執行，那麼可以使用Abort()方法，但是有諸多的原因並不推薦使用Abort()方法。

這裡推薦的方式是使用協作式取消(cooperative cancellation)，這是一種可靠的技術來安全取消不再需要的任務。其主要用到CancellationTokenSource和CancellationToken兩個類，具體用法見下麵演示代碼。

以下延時代碼主要是實現了使用CancellationToken和CancellationTokenSource來實現任務的取消。但是任務取消後可以進行三種操作，分別是：直接返回、拋出ThrowIfCancellationRequesed異常和執行回調。詳細請看代碼。

static void Main(string[] args)
{
    // 使用CancellationToken來取消任務  取消任務直接返回
    using (var cts = new CancellationTokenSource())
    {
        CancellationToken token = cts.Token;
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ => AsyncOperation1(token));
        Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
        cts.Cancel();
    }

    // 取消任務 拋出 ThrowIfCancellationRequesed 異常
    using (var cts = new CancellationTokenSource())
    {
        CancellationToken token = cts.Token;
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ => AsyncOperation2(token));
        Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
        cts.Cancel();
    }

    // 取消任務 並 執行取消後的回調函數
    using (var cts = new CancellationTokenSource())
    {
        CancellationToken token = cts.Token;
        token.Register(() => { WriteLine("第三個任務被取消，執行回調函數。"); });
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ => AsyncOperation3(token));
        Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
        cts.Cancel();
    }

    ReadLine();
}

static void AsyncOperation1(CancellationToken token)
{
    WriteLine("啟動第一個任務.");
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        if (token.IsCancellationRequested)
        {
            WriteLine("第一個任務被取消.");
            return;
        }
        Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
    }
    WriteLine("第一個任務運行完成.");
}

static void AsyncOperation2(CancellationToken token)
{
    try
    {
        WriteLine("啟動第二個任務.");

        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            token.ThrowIfCancellationRequested();
            Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
        }
        WriteLine("第二個任務運行完成.");
    }
    catch (OperationCanceledException)
    {
        WriteLine("第二個任務被取消.");
    }
}

static void AsyncOperation3(CancellationToken token)
{
    WriteLine("啟動第三個任務.");
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        if (token.IsCancellationRequested)
        {
            WriteLine("第三個任務被取消.");
            return;
        }
        Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
    }
    WriteLine("第三個任務運行完成.");
}

運行結果如下所示，符合預期結果。

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1.6 線上程池中使用等待事件處理器及超時

本節將介紹如何線上程池中使用等待任務和如何進行超時處理，其中主要用到ThreadPool.RegisterWaitForSingleObject()方法，該方法允許傳入一個WaitHandle對象，和需要執行的任務、超時時間等。通過使用這個方法，可完成線程池情況下對超時任務的處理。

演示代碼如下所示，運行了兩次使用ThreadPool.RegisterWaitForSingleObject()編寫超時代碼的RunOperations()方法，但是所傳入的超時時間不同，所以造成一個必然超時和一個不會超時的結果。

static void Main(string[] args)
{
    // 設置超時時間為 5s WorkerOperation會延時 6s 肯定會超時
    RunOperations(TimeSpan.FromSeconds(5));

    // 設置超時時間為 7s 不會超時
    RunOperations(TimeSpan.FromSeconds(7));
}

static void RunOperations(TimeSpan workerOperationTimeout)
{
    using (var evt = new ManualResetEvent(false))
    using (var cts = new CancellationTokenSource())
    {
        WriteLine("註冊超時操作...");
        // 傳入同步事件  超時處理函數  和 超時時間
        var worker = ThreadPool.RegisterWaitForSingleObject(evt
            , (state, isTimedOut) => WorkerOperationWait(cts, isTimedOut)
            , null
            , workerOperationTimeout
            , true);

        WriteLine("啟動長時間運行操作...");
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ => WorkerOperation(cts.Token, evt));

        Sleep(workerOperationTimeout.Add(TimeSpan.FromSeconds(2)));

        // 取消註冊等待的操作
        worker.Unregister(evt);

        ReadLine();
    }
}

static void WorkerOperation(CancellationToken token, ManualResetEvent evt)
{
    for (int i = 0; i < 6; i++)
    {
        if (token.IsCancellationRequested)
        {
            return;
        }
        Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
    }
    evt.Set();
}

static void WorkerOperationWait(CancellationTokenSource cts, bool isTimedOut)
{
    if (isTimedOut)
    {
        cts.Cancel();
        WriteLine("工作操作超時並被取消.");
    }
    else
    {
        WriteLine("工作操作成功.");
    }
}

運行結果如下圖所示，與預期結果相符。

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1.7 使用計時器

計時器是FCL提供的一個類，叫System.Threading.Timer，可要結果與創建周期性的非同步操作。該類使用比較簡單。

以下的演示代碼使用了定時器，並設置了定時器延時啟動時間和周期時間。

static void Main(string[] args)
{
    WriteLine("按下回車鍵，結束定時器...");
    DateTime start = DateTime.Now;

    // 創建定時器
    _timer = new Timer(_ => TimerOperation(start), null
        , TimeSpan.FromSeconds(1)
        , TimeSpan.FromSeconds(2));
    try
    {
        Sleep(TimeSpan.FromSeconds(6));

        _timer.Change(TimeSpan.FromSeconds(1), TimeSpan.FromSeconds(4));

        ReadLine();
    }
    finally
    {
        //實現了IDispose介面  要及時釋放
        _timer.Dispose();
    }
}

static Timer _timer;

static void TimerOperation(DateTime start)
{
    TimeSpan elapsed = DateTime.Now - start;
    WriteLine($"離 {start} 過去了 {elapsed.Seconds} 秒. " +
              $"定時器線程池 線程 id: {CurrentThread.ManagedThreadId}");
}

運行結果如下所示，可見定時器根據所設置的周期時間迴圈的調用TimerOperation()方法。

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1.8 使用BackgroundWorker組件

本節主要介紹BackgroundWorker組件的使用，該組件實際上被用於Windows窗體應用程式(Windows Forms Application，簡稱 WPF)中，通過它實現的代碼可以直接與UI控制器交互，更加自認和好用。

演示代碼如下所示，使用BackgroundWorker來實現對數據進行計算，並且讓其支持報告工作進度，支持取消任務。

static void Main(string[] args)
{
    var bw = new BackgroundWorker();
    // 設置可報告進度更新
    bw.WorkerReportsProgress = true;
    // 設置支持取消操作
    bw.WorkerSupportsCancellation = true;

    // 需要做的工作
    bw.DoWork += Worker_DoWork;
    // 工作處理進度
    bw.ProgressChanged += Worker_ProgressChanged;
    // 工作完成後處理函數
    bw.RunWorkerCompleted += Worker_Completed;

    bw.RunWorkerAsync();

    WriteLine("按下 `C` 鍵 取消工作");
    do
    {
        if (ReadKey(true).KeyChar == 'C')
        {
            bw.CancelAsync();
        }

    }
    while (bw.IsBusy);
}

static void Worker_DoWork(object sender, DoWorkEventArgs e)
{
    WriteLine($"DoWork 線程池 線程 id: {CurrentThread.ManagedThreadId}");
    var bw = (BackgroundWorker)sender;
    for (int i = 1; i <= 100; i++)
    {
        if (bw.CancellationPending)
        {
            e.Cancel = true;
            return;
        }
        if (i % 10 == 0)
        {
            bw.ReportProgress(i);
        }

        Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1));
    }

    e.Result = 42;
}

static void Worker_ProgressChanged(object sender, ProgressChangedEventArgs e)
{
    WriteLine($"已完成{e.ProgressPercentage}%. " +
              $"處理線程 id: {CurrentThread.ManagedThreadId}");
}

static void Worker_Completed(object sender, RunWorkerCompletedEventArgs e)
{
    WriteLine($"完成線程池線程 id: {CurrentThread.ManagedThreadId}");
    if (e.Error != null)
    {
        WriteLine($"異常 {e.Error.Message} 發生.");
    }
    else if (e.Cancelled)
    {
        WriteLine($"操作已被取消.");
    }
    else
    {
        WriteLine($"答案是 : {e.Result}");
    }
}

運行結果如下所示。

1533558846212

在本節中，使用了C#中的另外一個語法，叫事件(event)。當然這裡的事件不同於之前線上程同步章節中提到的事件，這裡是觀察者設計模式的體現，包括事件源、訂閱者和事件處理程式。因此，除了非同步APM模式意外，還有基於事件的非同步模式(Event-based Asynchronous Pattern，簡稱 EAP)。

參考書籍

本文主要參考了以下幾本書，在此對這些作者表示由衷的感謝你們提供了這麼好的資料。

  1. 《CLR via C#》
  2. 《C# in Depth Third Edition》
  3. 《Essential C# 6.0》
  4. 《Multithreading with C# Cookbook Second Edition》
  5. 《C#多線程編程實戰》

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筆者水平有限，如果錯誤歡迎各位批評指正！


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