在.NET多線程編程這個系列我們講一起來探討多線程編程的各個方面。首先我將在本篇文章的開始向大家介紹多線程的有關概念以及多線程編程的基礎知識;在接下來的文章中,我將逐一講述。NET平台上多線程編程的知識,諸如System.Threading命名空間的重要類以及方法,並就一些例子程式來作說明。
引言
早期的計算硬體十分複雜,但是作業系統執行的功能確十分的簡單。那個時候的作業系統在任一時間點只能執行一個任務,也就是同一時間只能執行一個程式。多個任務的執行必須得輪流執行,在系統裡面進行排隊等候。由於電腦的發展,要求系統功能越來越強大，這個時候出現了分時操作的概念：每個啟動並執行程式佔有一定的處理機時間,當這個佔有時間結束後,在等待隊列等待處理器資源的下一個程式就開始投入運行。注意這裡的程式在佔有一定的處理器時間後並沒有運行完畢，可能需要再一次或多次分配處理器時間。那麼從這裡可以看出，這樣的執行方式顯然是多個程式的並存執行，但是在宏觀上，我們感覺到多個任務是同時執行的，因此多任務的概念就誕生了。每個啟動並執行程式都有自己的記憶體空間,自己的堆棧和環境變數設定。每一個程式對應一個進程，代表著執行一個大的任務。一個進程可以啟動另外一個進程,這個被啟動的進程稱為子進程。父進程和子進程的執行只有邏輯上的先後關係，並沒有其他的關係，也就是說他們的執行是獨立的。但是，可能一個大的程式（代表著一個大的任務）,可以分割成很多的小任務，為了功能上的需要也有可能是為了加快啟動並執行速度，可能需要同一時間執行多個任務(每個任務分配一個多線程來執行相應的任務)。舉個例子來說,你正在通過你的web瀏覽器查看一些精彩的文章，你需要把好的文章給下載下來，可能有些非常精彩的文章你需要收藏起來，你就用你的印表機列印這些線上的文章。在這裡，瀏覽器一邊下載HTML格式的文章，一邊還要列印文章。這就是一個程式同時執行多個任務，每個任務分配一個線程來完成。因此我們可以看出一個程式同時執行多個任務的能力是通過多線程來實現的。
多線程VS多任務
正如上面所說的,多任務是相對與作業系統而言,指的是同一時間執行多個程式的能力,雖然這麼說,但是實際上在只有一個CPU的條件下不可能同時執行兩個以上的程式。CPU在程式之間做高速的切換,使得所有的程式在很短的時間之內可以得到更小的CPU時間,這樣從使用者的角度來看就好象是同時在執行多個程式。多線程相對於作業系統而言,指的是可以同時執行同一個程式的不同部分的能力,每個執行的部分被成為線程。所以在編寫應用程式時,我們必須得很好的設計以 避免不同的線程執行時的相互幹擾。這樣有助於我們設計健壯的程式,使得我們可以在隨時需要的時候添加線程。
線程的概念
線程可以被描述為一個微進程,它擁有起點,執行的順序系列和一個終點。它負責維護自己的堆棧,這些堆棧用於異常處理,優先順序調度和其他一些系統重新恢複線程執行時需要的資訊。從這個概念看來，好像線程與進程沒有任何的區別，實際上線程與進程是肯定有區別的：
一個完整的進程擁有自己獨立的記憶體空間和資料,但是同一個進程內的線程是共用記憶體空間和資料的。一個進程對應著一段程式,它是由一些在同一個程式裡面獨立的同時的啟動並執行線程組成的。線程有時也被稱為並行運行在程式裡的輕量級進程,線程被稱為是輕量級進程是因為它的運行依賴與進程提供的上下文環境,並且使用的是進程的資源。
在一個進程裡,線程的調度有搶佔式或者非搶佔的模式。
在搶佔模式下，作業系統負責分配ＣＰＵ時間給各個進程，一旦當前的進程使用完分配給自己的ＣＰＵ時間，作業系統將決定下一個佔用ＣＰＵ時間的是哪一個線程。因此作業系統將週期性中斷當前正在執行的線程，將ＣＰＵ分配給在等待隊列的下一個線程。所以任何一個線程都不能獨佔ＣＰＵ。每個線程佔用ＣＰＵ的時間取決於進程和作業系統。進程分配給每個線程的時間很短,以至於我們感覺所有的線程是同時執行的。實際上,系統運行每個進程的時間有2毫秒,然後調度其他的線程。它同時他維持著所有的線程和迴圈,分配很少量的ＣＰＵ時間給線程。 線程的的切換和調度是如此之快,以至於感覺是所有的線程是同步執行的。
調度是什麼意思?調度意味著處理器儲存著將要執行完ＣＰＵ時間的進程的狀態和將來某個時間裝載這個進程的狀態而恢複其運行。然而這種方式也有不足之處,一個線程可以在任何給定的時間中斷另外一個線程的執行。假設一個線程正在向一個檔案做寫操作,而另外一個線程中斷其運行,也向同一個檔案做寫操作。 Windows 95/NT, UNIX使用的就是這種線程調度方式。
在非搶佔的調度模式下,每個線程可以需要ＣＰＵ多少時間就佔用ＣＰＵ多少時間。在這種調度方式下,可能一個執行時間很長的線程使得其他所有需要ＣＰＵ的線程”餓死”。在處理機空閑，即該進程沒有使用ＣＰＵ時，系統可以允許其他的進程暫時使用ＣＰＵ。佔用ＣＰＵ的線程擁有對ＣＰＵ的控制權，只有它自己主動釋放ＣＰＵ時，其他的線程才可以使用ＣＰＵ。一些I/O和Windows 3。x就是使用這種調度策略。
在有些作業系統裡面，這兩種調度策略都會用到。非搶佔的調度策略線上程運行優先順序一般時用到，而對於高優先順序的線程調度則多採用搶佔式的調度策略。如果你不確定系統採用的是那種調度策略，假設搶佔的調度策略不可用是比較安全的。在設計應用程式的時候，我們認為那些佔用ＣＰＵ時間比較多的線程在一定的間隔是會釋放ＣＰＵ的控制權的，這時候系統會查看那些在等待隊列裡面的與當前啟動並執行線程同一優先順序或者更高的優先順序的線程，而讓這些線程得以使用ＣＰＵ。如果系統找到一個這樣的線程，就立即暫停當前執行的線程和啟用滿足條件的線程。如果沒有找到同一優先順序或更進階的線程，當前線程還繼續佔有ＣＰＵ。當正在執行的線程想釋放ＣＰＵ的控制權給一個低優先順序的線程，當前線程就轉入睡眠狀態而讓低優先順序的線程佔有ＣＰＵ。
在多處理器系統，作業系統會將這些獨立的線程分配給不同的處理器執行，這樣將會大大的加快程式的運行。線程執行的效率也會得到很大的提高，因為將線程的分時共用單一處理器變成了分布式的多處理器執行。這種多處理器在三維建模和圖形處理是非常有用的。
需要多線程嗎
我們發出了一個列印的命令，要求印表機進行列印任務，假設這時候電腦停止了響應而印表機還在工作，那豈不是我們的停止手上的事情就等著這慢速的印表機列印？所幸的是，這種情況不會發生，我們在印表機工作的時候還可以同時聽音樂或者畫圖。因為我們使用了獨立的多線程來執行這些任務。你可能會對多個使用者同時訪問資料庫或者web伺服器感到吃驚，他們是怎麼工作的？這是因為為每個串連到資料庫或者web伺服器的使用者建立了獨立的線程來維護使用者的狀態。如果一個程式的運行有一定的順序，這時候採用這種方式可能會出現問題，甚至導致整個程式崩潰。如果程式可以分成獨立的不同的任務，使用多線程，即使某一部分任務失敗了，對其他的也沒有影響，不會導致整個程式崩潰。
毫無疑問的是，編寫多線程程式使得你有了一個利器可以駕奴非多線程的程式，但是多線程也可能成為一個負擔或者需要不小的代價。如果使用的不當，會帶來更多的壞處。如果一個程式有很多的線程，那麼其他程式的線程必然只能佔用更少的ＣＰＵ時間；而且大量的ＣＰＵ時間是用於線程調度的；作業系統也需要足夠的記憶體空間來維護每個線程的上下文資訊；因此，大量的線程會降低系統的運行效率。因此，如果使用多線程的話，程式的多線程必須設計的很好，否則帶來的好處將遠小於坏處。因此使用多線程我們必須小心的處理這些線程的建立，調度和釋放工作。
多線程程式設計提示
有多種方法可以設計多線程的應用程式。正如後面的文章所示，我將給出詳細的編程樣本，通過這些例子，你將可以更好的理解多線程。線程可以有不同的優先順序，舉例子來說，在我們的應用程式裡面，繪製圖形或者做大量運算的同時要接受使用者的輸入，顯然使用者的輸入需要得到第一時間的響應，而圖形繪製或者運算則需要大量的時間，暫停一下問題不大，因此使用者輸入線程將需要高的悠閑級，而圖形繪製或者運算低優先順序即可。這些線程之間相互獨立，相互不影響。
在上面的例子中，圖形繪製或者大量的運算顯然是需要站用很多的ＣＰＵ時間的，在這段時間，使用者沒有必要等著他們執行完畢再輸入資訊，因此我們將程式設計成獨立的兩個線程，一個負責使用者的輸入，一個負責處理那些耗時很長的任務。這將使得程式更加靈活，能夠快速響應。同時也可以使得使用者在啟動並執行任何時候取消任務的可能。在這個繪製圖形的例子中，程式應該始終負責接收系統發來的訊息。如果由於程式忙於一個任務，有可能會導致螢幕變成空白，這顯然需要我們的程式來處理這樣的事件。所以我必須得有一個線程負責來處理這些訊息，正如剛才所說的應該觸發重畫螢幕的工作。
我們應該把握一個原則，對於那些對時間要求比較緊迫需要立即得到相應的任務，我們因該給予高的優先順序，而其他的線程優先順序應該低於她的優先順序。偵聽用戶端請求的線程應該始終是高的優先順序，對於一個與使用者互動的使用者介面的任務來說，它需要得到第一時間的響應，其優先順序因該高優先順序。
毛毛的小窩
在接下來的這篇文章中,我將向大家介紹.NET中的線程API,怎麼樣用C#建立線程,啟動和停止線程,設定優先權和狀態.
在.NET中編寫的程式將被自動的分配一個線程.讓我們來看看用C#程式設計語言建立線程並且繼續學習線程的知識。我們都知道.NET的運行時環境的主線程由Main ()方法來啟動應用程式，而且.NET的編譯語言有自動的垃圾收集功能,這個垃圾收集發生在另外一個線程裡面,所有的這些都是後台發生的,讓我們無法感覺到發生了什麼事情.在這裡預設的是只有一個線程來完成所有的程式任務，但是正如我們在第一篇文章討論過的一樣，有可能我們根據需要自己添加更多的線程讓程式更好的協調工作。比如說我們的例子中，一個有使用者輸入的同時需要繪製圖形或者完成大量的運算的程式，我們必須得增加一個線程，讓使用者的輸入能夠得到及時的響應，因為輸入對時間和響應的要求是緊迫的，而另外一個線程負責圖形繪製或者大量的運算。
.NET 基礎類庫的System.Threading命名空間提供了大量的類和介面支援多線程。這個命名空間有很多的類，我們將在這裡著重討論Thread這個類。
System.Threading.Thread類是建立並控制線程，設定其優先順序並擷取其狀態最為常用的類。他有很多的方法，在這裡我們將就比較常用和重要的方法做一下介紹：
Thread.Start（）：啟動線程的執行；
Thread.Suspend（）：掛起線程，或者如果線程已掛起，則不起作用；
Thread.Resume（）：繼續已掛起的線程；
Thread.Interrupt（）：中止處於 Wait或者Sleep或者Join 線程狀態的線程；
Thread.Join（）：阻塞調用線程，直到某個線程終止時為止
Thread.Sleep（）：將當前線程阻塞指定的毫秒數；
Thread.Abort（）：以開始終止此線程的過程。如果線程已經在終止，則不能通過Thread.Start（）來啟動線程。
通過調用Thread.Sleep，Thread.Suspend或者Thread.Join可以暫停/阻塞線程。調用Sleep()和Suspend()方法意味著線程將不再得到CPU時間。這兩種暫停線程的方法是有區別的，Sleep()使得線程立即停止執行，但是在調用Suspend()方法之前，通用語言執行平台必須到達一個安全點。一個線程不能對另外一個線程調用Sleep()方法，但是可以調用Suspend()方法使得另外一個線程暫停執行。對已經掛起的線程調用Thread.Resume（）方法會使其繼續執行。不管使用多少次Suspend()方法來阻塞一個線程，只需一次調用Resume()方法就可以使得線程繼續執行。已經終止的和還沒有開始執行的線程都不能使用掛起。Thread.Sleep（int x）使線程阻塞x毫秒。只有當該線程是被其他的線程通過調用Thread.Interrupt（）或者Thread.Abort（）方法，才能被喚醒。如果對處於阻塞狀態的線程調用Thread.Interrupt（）方法將使線程狀態改變，但是會拋出ThreadInterupptedException異常，你可以捕獲這個異常並且做出處理，也可以忽略這個異常而讓運行時終止線程。在一定的等待時間之內，Thread.Interrupt（）和Thread.Abort（）都可以立即喚醒一個線程。
下面我們將說明如何從一個線程中止另外一個線程。在這種情況下，我們可以通過使用Thread.Abort（）方法來永久銷毀一個線程，而且將拋出ThreadAbortException異常。使終結的線程可以捕獲到異常但是很難控制恢複，僅有的辦法是調用Thread.ResetAbort（）來取消剛才的調用，而且只有當這個異常是由於被調用線程引起的異常。因此，A線程可以正確的使用Thread.Abort（）方法作用於B線程，但是B線程卻不能調用Thread.ResetAbort（）來取消Thread.Abort（）操作。Thread.Abort（）方法使得系統悄悄的銷毀了線程而且不通知使用者。一旦實施Thread.Abort（）操作，該線程不能被重新啟動。調用了這個方法並不是意味著線程立即銷毀，因此為了確定線程是否被銷毀，我們可以調用Thread.Join（）來確定其銷毀，Thread.Join（）是一個阻塞調用，直到線程的確是終止了才返回。但是有可能一個線程調用Thread.Interrupt（）方法來中止另外一個線程，而這個線程正在等待Thread.Join（）調用的返回。
儘可能的不要用Suspend()方法來掛起阻塞線程，因為這樣很容易造成死結。假設你掛起了一個線程，而這個線程的資源是其他線程所需要的，會發生什麼後果。因此，我們儘可能的給重要性不同的線程以不同的優先順序，用Thread.Priority（）方法來代替使用Thread.Suspend（）方法。
Thread類有很多的屬性，這些重要的屬性是我們多線程編程必須得掌握的。
Thread.IsAlive屬性：擷取一個值，該值指示當前線程的執行狀態。如果此線程已啟動並且尚未正常終止或中止，則為 true；否則為 false。
Thread.Name 屬性：擷取或設定線程的名稱。
Thread.Priority 屬性：擷取或設定一個值，該值指示線程的調度優先順序。
Thread.ThreadState 屬性：擷取一個值，該值包含當前線程的狀態。
在下面的例子中，我們將看看怎麼設定這些屬性，在隨後的例子中我們將詳細的討論這些屬性。
建立一個線程，首先得執行個體化一個Thread類，在類得建構函式中調用ThreadStart委派。這個委派包含了線程從哪裡開始執行。當線程啟動後，Start()方法啟動一個新的線程。下面是例子程式。
using System;
using System.Threading ;
namespace LearnThreads
{
class Thread_App
{
public static void First_Thread()
{
Console.WriteLine("First thread created");
Thread current_thread = Thread.CurrentThread;
string thread_details = "Thread Name: " + current_thread.Name +
"\r\nThread State: " + current_thread.ThreadState.ToString()+
"\r\n Thread Priority level:"+current_thread.Priority.ToString();
Console.WriteLine("The details of the thread are :"+ thread_details);
Console.WriteLine ("first thread terminated");
}
public static void Main()
{
ThreadStart thr_start_func = new ThreadStart (First_Thread);
Console.WriteLine ("Creating the first thread ");
Thread fThread = new Thread (thr_start_func);
fThread.Name = "first_thread";
fThread.Start (); //starting the thread
}
}
}
在這個例子中，建立了一個fThread的線程對象，這個線程負責執行First_Thread()方法裡面的任務。當Thread的Start() 方法被調用時包含First_Thread()的地址ThreadStart的代理將被執行。
Thread狀態
System.Threading.Thread.ThreadState屬性定義了執行時線程的狀態。線程從建立到線程終止，它一定處於其中某一個狀態。當線程被建立時，它處在Unstarted狀態，Thread類的Start() 方法將使線程狀態變為Running狀態，線程將一直處於這樣的狀態，除非我們調用了相應的方法使其掛起、阻塞、銷毀或者自然終止。如果線程被掛起，它將處於Suspended狀態，除非我們調用resume（）方法使其重新執行，這時候線程將重新變為Running狀態。一旦線程被銷毀或者終止，線程處於Stopped狀態。處於這個狀態的線程將不複存在，正如線程開始啟動，線程將不可能回到Unstarted狀態。線程還有一個Background狀態，它表明線程運行在前台還是後台。在一個確定的時間，線程可能處於多個狀態。據例子來說，一個線程被調用了Sleep而處於阻塞，而接著另外一個線程調用Abort方法於這個阻塞的線程，這時候線程將同時處於WaitSleepJoin和AbortRequested狀態。一旦線程響應轉為Sle阻塞或者中止，當銷毀時會拋出ThreadAbortException異常。
線程優先順序
System.Threading.Thread.Priority枚舉了線程的優先順序別，從而決定了線程能夠得到多少CPU時間。高優先順序的線程通常會比一般優先順序的線程得到更多的CPU時間，如果不止一個高優先順序的線程，作業系統將在這些線程之間迴圈分配CPU時間。低優先順序的線程得到的CPU時間相對較少，當這裡沒有高優先順序的線程，作業系統將挑選下一個低優先順序 的線程執行。一旦低優先順序的線程在執行時遇到了高優先順序的線程，它將讓出CPU給高優先順序的線程。新建立的線程優先順序為一般優先順序，我們可以設定線程的優先順序別的值，如下面所示：
Highest
AboveNormal
Normal
BelowNormal
Lowest
結論：在這一部分，我們討論了線程的建立何線程的優先順序。System.Threading命名空間還包含了線程鎖定、線程同步何通訊、多線程管理類以及死結解決等等進階特性，在後面的部分我們將繼續討論這些內容。
毛毛的小窩
