C#的多線程機制探索上

註：本文中出現的代碼均在.net Framework RC3環境中運行通過

　　一.多線程的概念

Windows是一個多任務的系統，如果你使用的是windows 2000及其以上版本，你可以通過工作管理員查看當前系統啟動並執行程式和進程。什麼是進程呢？當一個程式開始運行時，它就是一個進程，進程所指包括運行中的程式和程式所使用到的記憶體和系統資源。而一個進程又是由多個線程所組成的，線程是程式中的一個執行流，每個線程都有自己的專有寄存器(棧指標、程式計數器等)，但代碼區是共用的，即不同的線程可以執行同樣的函數。多線程是指程式中包含多個執行流，即在一個程式中可以同時運行多個不同的線程來執行不同的任務，也就是說允許單個程式建立多個並存執行的線程來完成各自的任務。瀏覽器就是一個很好的多線程的例子,在瀏覽器中你可以在下載JAVA小應用程式或圖象的同時滾動頁面,在訪問新頁面時,播放動畫和聲音,列印檔案等。

多線程的好處在於可以提高CPU的利用率——任何一個程式員都不希望自己的程式很多時候沒事可幹，在多線程程式中，一個線程必須等待的時候，CPU可以運行其它的線程而不是等待，這樣就大大提高了程式的效率。

然而我們也必須認識到線程本身可能影響系統效能的不利方面，以正確使用線程：

• 線程也是程式，所以線程需要佔用記憶體，線程越多佔用記憶體也越多
• 多線程需要協調和管理，所以需要CPU時間跟蹤線程
• 線程之間對共用資源的訪問會相互影響，必須解決競用共用資源的問題
• 線程太多會導致控制太複雜，最終可能造成很多Bug

基於以上認識，我們可以一個比喻來加深理解。假設有一個公司，公司裡有很多各司其職的職員，那麼我們可以認為這個正常運作的公司就是一個進程，而公司裡的職員就是線程。一個公司至少得有一個職員吧，同理，一個進程至少包含一個線程。在公司裡，你可以一個職員幹所有的事，但是效率很顯然是高不起來的，一個人的公司也不可能做大；一個程式中也可以只用一個線程去做事，事實上，一些過時的語言如fortune,basic都是如此，但是象一個人的公司一樣，效率很低，如果做大程式，效率更低——事實上現在幾乎沒有單線程的商業軟體。公司的職員越多，老闆就得發越多的薪水給他們，還得耗費大量精力去管理他們，協調他們之間的矛盾和利益；程式也是如此，線程越多耗費的資源也越多，需要CPU時間去跟蹤線程，還得解決諸如死結，同步等問題。總之，如果你不想你的公司被稱為“皮包公司”，你就得多幾個員工；如果你不想讓你的程式顯得稚氣，就在你的程式裡引入多線程吧！

本文將對C#編程中的多線程機制進行探討，通過一些執行個體解決對線程的控制，多線程間通訊等問題。為了省去建立GUI那些繁瑣的步驟，更清晰地逼近線程的本質，下面所有的程式都是控制台程式，程式最後的Console.ReadLine()是為了使程式中途停下來，以便看清楚執行過程中的輸出。

好了，廢話少說，讓我們來體驗一下多線程的C#吧！

　　二.操縱一個線程

任何程式在執行時，至少有一個主線程，下面這段小程式可以給讀者一個直觀的印象：

//SystemThread.cs using System; using System.Threading; namespace ThreadTest { 　　class RunIt 　　{ 　　　　[STAThread] 　　　　static void Main(string[] args) 　　　　{ 　　　　　　Thread.CurrentThread.Name="System Thread";//給當前線程起名為"System Thread" Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name+"'Status:"+Thread.CurrentThread.ThreadState); 　　　　　　Console.ReadLine(); 　　　　} 　　} }

編譯執行後你看到了什嗎？是的，程式將產生如下輸出：

System Thread's Status:Running

在這裡，我們通過Thread類的靜態屬性CurrentThread擷取了當前執行的線程，對其Name屬性賦值“System Thread”，最後還輸出了它的目前狀態（ThreadState）。所謂靜態屬性，就是這個類所有對象所公有的屬性，不管你建立了多少個這個類的執行個體，但是類的靜態屬性在記憶體中只有一個。很容易理解CurrentThread為什麼是靜態——雖然有多個線程同時存在，但是在某一個時刻，CPU只能執行其中一個。

就像上面程式所示範的，我們通過Thread類來建立和控制線程。注意到程式的頭部，我們使用了如下命名空間：

using System; using System.Threading;

在.net framework class library中，所有與多線程機制應用相關的類都是放在System.Threading命名空間中的。其中提供Thread類用於建立線程，ThreadPool類用於管理線程池等等，此外還提供解決了線程執行安排，死結，線程間通訊等實際問題的機制。如果你想在你的應用程式中使用多線程，就必須包含這個類。Thread類有幾個至關重要的方法，描述如下：

• Start():啟動線程
• Sleep(int):靜態方法，暫停當前線程指定的毫秒數
• Abort():通常使用該方法來終止一個線程
• Suspend()：該方法並不終止未完成的線程，它僅僅掛起線程，以後還可恢複。
• Resume():恢複被Suspend()方法掛起的線程的執行

 

下面我們就動手來建立一個線程，使用Thread類建立線程時，只需提供線程入口即可。線程入口使程式知道該讓這個線程幹什麼事，在C#中，線程入口是通過ThreadStart代理（delegate）來提供的，你可以把ThreadStart理解為一個函數指標，指向線程要執行的函數，當調用Thread.Start()方法後，線程就開始執行ThreadStart所代表或者說指向的函數。

開啟你的VS.net，建立一個控制台應用程式（Console Application），下面這些代碼將讓你體味到完全控制一個線程的無窮樂趣！

//ThreadTest.cs using System; using System.Threading; namespace ThreadTest { 　　public class Alpha 　　　　{ 　　　　　　public void Beta() 　　　　　　{ 　　　　　　　　while (true) 　　　　　　　　{ 　　　　　　　　　　Console.WriteLine("Alpha.Beta is running in its own thread."); 　　　　　　　　} 　　　　　　} 　　　　}; 　　　　public class Simple 　　　　{ 　　　　　　public static int Main() 　　　　　　{ 　　　　　　　　Console.WriteLine("Thread Start/Stop/Join Sample"); 　　　　　　　　Alpha oAlpha = new Alpha(); 　　　　　　　　file://這裡建立一個線程，使之執行Alpha類的Beta()方法 　　　　　　　　Thread oThread = new Thread(new ThreadStart(oAlpha.Beta)); 　　　　　　　　oThread.Start(); 　　　　　　　　while (!oThread.IsAlive); 　　　　　　　　Thread.Sleep(1); 　　　　　　　　oThread.Abort(); 　　　　　　　　oThread.Join(); 　　　　　　　　Console.WriteLine(); 　　　　　　　　Console.WriteLine("Alpha.Beta has finished"); 　　　　　　　　try 　　　　　　　　{ 　　　　　　　　　　Console.WriteLine("Try to restart the Alpha.Beta thread"); 　　　　　　　　　　oThread.Start(); 　　　　　　　　} 　　　　　　　　catch (ThreadStateException) 　　　　　　　　{ 　　　　　　　　　　Console.Write("ThreadStateException trying to restart Alpha.Beta. "); 　　　　　　　　　　Console.WriteLine("Expected since aborted threads cannot be restarted."); 　　　　　　　　　　Console.ReadLine(); 　　　　　　　　} 　　　　　　　　return 0; 　　　　　　} 　　　　} 　　}

這段程式包含兩個類Alpha和Simple，在建立線程oThread時我們用指向Alpha.Beta()方法的初始化了ThreadStart代理（delegate）對象，當我們建立的線程oThread調用oThread.Start()方法啟動時，實際上程式啟動並執行是Alpha.Beta()方法：

Alpha oAlpha = new Alpha(); 　　Thread oThread = new Thread(new ThreadStart(oAlpha.Beta)); 　　oThread.Start();

然後在Main()函數的while迴圈中，我們使用靜態方法Thread.Sleep()讓主線程停了1ms，這段時間CPU轉向執行線程oThread。然後我們試圖用Thread.Abort()方法終止線程oThread，注意後面的oThread.Join()，Thread.Join()方法使主線程等待，直到oThread線程結束。你可以給Thread.Join()方法指定一個int型的參數作為等待的最長時間。之後，我們試圖用Thread.Start()方法重新啟動線程oThread，但是顯然Abort()方法帶來的後果是不可恢複的終止線程，所以最後程式會拋出ThreadStateException異常。

程式最後得到的結果將如：

在這裡我們要注意的是其它線程都是依附於Main()函數所在的線程的，Main()函數是C#程式的入口，起始線程可以稱之為主線程，如果所有的前台線程都停止了，那麼主線程可以終止，而所有的後台線程都將無條件終止。而所有的線程雖然在微觀上是串列執行的，但是在宏觀上你完全可以認為它們在並存執行。

讀者一定注意到了Thread.ThreadState這個屬性，這個屬性代表了線程運行時狀態，在不同的情況下有不同的值，於是我們有時候可以通過對該值的判斷來設計程式流程。ThreadState在各種情況下的可能取值如下：

• Aborted：線程已停止
• AbortRequested：線程的Thread.Abort()方法已被調用，但是線程還未停止
• Background：線程在後台執行，與屬性Thread.IsBackground有關
• Running：線程正在正常運行
• Stopped：線程已經被停止
• StopRequested：線程正在被要求停止
• Suspended：線程已經被掛起（此狀態下，可以通過調用Resume()方法重新運行）
• SuspendRequested：線程正在要求被掛起，但是未來得及響應
• Unstarted：未調用Thread.Start()開始線程的運行
• WaitSleepJoin：線程因為調用了Wait(),Sleep()或Join()等方法處於封鎖狀態

上面提到了Background狀態表示該線程在後台運行，那麼後台啟動並執行線程有什麼特別的地方呢？其實後台線程跟前台線程只有一個區別，那就是後台線程不妨礙程式的終止。一旦一個進程所有的前台線程都終止後，CLR（通用語言運行環境）將通過調用任意一個存活中的後台進程的Abort()方法來徹底終止進程。

當線程之間爭奪CPU時間時，CPU按照是線程的優先順序給予服務的。在C#應用程式中，使用者可以設定5個不同的優先順序，由高到低分別是Highest，AboveNormal，Normal，BelowNormal，Lowest，在建立線程時如果不指定優先順序，那麼系統預設為ThreadPriority.Normal。給一個線程指定優先順序
，我們可以使用如下代碼：

//設定優先順序為最低 myThread.Priority=ThreadPriority.Lowest;

通過設定線程的優先順序，我們可以安排一些相對重要的線程優先執行，例如對使用者的響應等等。

現在我們對怎樣建立和控制一個線程已經有了一個初步的瞭解，下面我們將深入研究線程實現中比較典型的的問題，並且探討其解決方案。

　　三.線程的同步和通訊——生產者和消費者

假設這樣一種情況，兩個線程同時維護一個隊列，如果一個線程對隊列中添加元素，而另外一個線程從隊列中取用元素，那麼我們稱添加元素的線程為生產者，稱取用元素的線程為消費者。生產者與消費者問題看起來很簡單，但是卻是多線程應用中一個必須解決的問題，它涉及到線程之間的同步和通訊問題。

前面說過，每個線程都有自己的資源，但是代碼區是共用的，即每個線程都可以執行相同的函數。但是多線程環境下，可能帶來的問題就是幾個線程同時執行一個函數，導致資料的混亂，產生不可預料的結果，因此我們必須避免這種情況的發生。C#提供了一個關鍵字lock，它可以把一段代碼定義為互斥段（critical section），互斥段在一個時刻內只允許一個線程進入執行，而其他線程必須等待。在C#中，關鍵字lock定義如下：

lock(expression) statement_block