敬阿奇,C程序設(shè)計(jì)教程(第3版),第9章

第9章

多線程編程9.1線程概述9.2創(chuàng)建并控制一個(gè)線程9.3線程的同步和通信9.4線程池和定時(shí)器9.5互斥對(duì)象9.1線程概述瀏覽器就是一個(gè)很好的多線程例子，在瀏覽器中可以在下載Java小應(yīng)用程序或圖像的同時(shí)滾動(dòng)頁(yè)面，在訪問(wèn)新頁(yè)面時(shí)播放動(dòng)畫(huà)、聲音并打印文件等。多線程程序中，在一個(gè)線程必須等待的時(shí)候，CPU可以運(yùn)行其他線程而不是等待，這就大大提高了程序的效率。

然而，我們也必須認(rèn)識(shí)到線程本身可能存在影響系統(tǒng)性能的不利方面，才能正確使用線程。不利方面主要有：(1)線程也是程序，所以線程需要占用內(nèi)存，線程越多占用內(nèi)存也越多。(2)多線程需要協(xié)調(diào)和管理，所以需要占用CPU時(shí)間來(lái)跟蹤線程。(3)線程之間對(duì)共享資源的訪問(wèn)會(huì)相互影響，必須解決爭(zhēng)用共享資源的問(wèn)題。(4)線程太多會(huì)導(dǎo)致控制太復(fù)雜，最終可能造成很多Bug。9.1線程概述當(dāng)啟動(dòng)一個(gè)可執(zhí)行程序時(shí)，將創(chuàng)建一個(gè)主線程，默認(rèn)情況下，C#程序具有一個(gè)線程。此線程執(zhí)行程序中以Main方法開(kāi)始和結(jié)束的代碼。Main直接或間接執(zhí)行的每一個(gè)命令都由默認(rèn)線程（或主線程）執(zhí)行，當(dāng)Main返回時(shí)此線程也將終止。例如創(chuàng)建一個(gè)Windows窗體應(yīng)用程序，打開(kāi)其中的“Program.cs”文件，其代碼如下：staticclassProgram{///<summary>///應(yīng)用程序的主入口點(diǎn)。///</summary>[STAThread]

staticvoidMain(){Application.EnableVisualStyles();Application.SetCompatibleTextRenderingDefault(false);Application.Run(newForm1());}}9.1.1多線程工作方式

一個(gè)處理器在某一刻只能處理一個(gè)任務(wù)，對(duì)于一個(gè)多處理器系統(tǒng)，理論上它可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)指令——每個(gè)處理器執(zhí)行一個(gè)指令，但大多數(shù)人使用的是單處理器計(jì)算機(jī)，這種情況是不可能同時(shí)發(fā)生的。表面上Windows操作系統(tǒng)上可以同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，這個(gè)過(guò)程稱為搶先式多任務(wù)處理(pre-emptivemultitasking)，所謂搶先式多任務(wù)處理，是指Windows在某個(gè)進(jìn)程中選擇—個(gè)線程，該線程運(yùn)行一小段時(shí)間。這個(gè)時(shí)間非常短，不會(huì)超過(guò)幾毫秒。這段很短的時(shí)間稱為線程的時(shí)間片(timeslice)。過(guò)了這個(gè)時(shí)間片后，Windows就收回控制權(quán)，選擇下一個(gè)被分配了時(shí)間片的線程。這些時(shí)間片非常短，我們可以認(rèn)為許多事件是同時(shí)發(fā)生的。

9.1.2什么時(shí)候使用多線程應(yīng)用多線程技術(shù)最大的誤區(qū)在于沒(méi)有分清適用的情況就盲目地使用多線程。除非運(yùn)行一個(gè)多處理器計(jì)算機(jī)，否則在CPU密集的任務(wù)中使用兩個(gè)線程不能節(jié)省多少時(shí)間，理解這一點(diǎn)是很重要的。在單處理器計(jì)算機(jī)上，讓兩個(gè)線程都同時(shí)進(jìn)行100萬(wàn)次運(yùn)算所花的時(shí)間與讓一個(gè)線程進(jìn)行200萬(wàn)次運(yùn)算是相同的，甚至使用兩個(gè)線程所用的時(shí)間會(huì)略長(zhǎng)，因?yàn)橐幚砹硪粋€(gè)線程，操作系統(tǒng)必須用一定的時(shí)間切換線程，但這種區(qū)別可以忽略不計(jì)。使用線程帶來(lái)的負(fù)面因素是必須額外考慮線程的并發(fā)、同步等線程安全問(wèn)題，從而使得程序更加復(fù)雜而難以維護(hù)。有些場(chǎng)合則使用多線程技術(shù)非常適合，如一個(gè)服務(wù)器進(jìn)程需要并發(fā)處理來(lái)自不同客戶端的訪問(wèn)。此外，使用多個(gè)線程的優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)。9.2創(chuàng)建并控制一個(gè)線程9.2.1線程的建立與啟動(dòng)通過(guò)實(shí)例化一個(gè)Thread對(duì)象就可以創(chuàng)建一個(gè)線程。創(chuàng)建新的Thread對(duì)象時(shí)，將創(chuàng)建新的托管線程。Thread類接收一個(gè)ThreadStart委托或ParameterizedThreadStart委托的構(gòu)造函數(shù)，該委托包裝了調(diào)用Start方法時(shí)由新線程調(diào)用的方法。示例代碼如下： Threadthread=newThread(newThreadStart(methord)); //創(chuàng)建線程 thread.Start(); //啟動(dòng)線程上述代碼實(shí)例化了一個(gè)Thread對(duì)象，并指明了將要調(diào)用的方法methord，然后啟動(dòng)線程。ThreadStart委托中作為參數(shù)的方法不需要參數(shù)，并且沒(méi)有返回值。ParameterizedThreadStart委托一個(gè)對(duì)象為參數(shù)，利用這個(gè)參數(shù)可以很方便地向線程傳遞參數(shù)。示例代碼如下： Threadthread=newThread(newParameterizedThreadStart(methord)); //創(chuàng)建線程 thread.Start(3); //啟動(dòng)線程并傳參數(shù)3Thread類的常用屬性和方法如表9.1和表9.2所示。9.2.2線程的掛起、恢復(fù)與終止線程通過(guò)調(diào)用Suspend方法來(lái)掛起線程。當(dāng)線程針對(duì)自身調(diào)用Suspend方法時(shí)，調(diào)用將會(huì)阻止，直到另一個(gè)線程繼續(xù)該線程。當(dāng)一個(gè)線程針對(duì)另一個(gè)線程調(diào)用Suspend方法時(shí)，調(diào)用是非阻止調(diào)用，這會(huì)導(dǎo)致另一線程掛起。線程通過(guò)調(diào)用Resume方法來(lái)恢復(fù)被掛起的線程。無(wú)論調(diào)用了多少次Suspend方法，調(diào)用Resume方法均會(huì)使另一個(gè)線程脫離掛起狀態(tài)，并導(dǎo)致該線程繼續(xù)執(zhí)行。示例代碼如下：

Threadthread=newThread(newThreadStart(methord)); //創(chuàng)建線程 thread.Start(); //啟動(dòng)線程 thread.Suspend(); //掛起線程 thread..Resume(); //恢復(fù)線程9.2.2線程的掛起、恢復(fù)與終止如果在應(yīng)用程序中使用了多線程，輔助線程還沒(méi)有執(zhí)行完畢，在關(guān)閉窗體的時(shí)候必須要關(guān)閉輔助線程，否則會(huì)引發(fā)異常。示例代碼如下： Threadthread=newThread(newThreadStart(methord)); //創(chuàng)建線程 thread.Start(); //啟動(dòng)線程 if(thread.IsAlive) { thread.Abort; } //關(guān)閉線程9.2.2線程的掛起、恢復(fù)與終止.NET使用的異常機(jī)制使線程的中止更加安全，但中止線程要用一定的時(shí)間，因?yàn)閺睦碚撋现v，異常處理塊中的代碼執(zhí)行多長(zhǎng)時(shí)間是沒(méi)有限制的。因此，在中止線程后需要等待一段時(shí)間，線程完全中止后，才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。如果后續(xù)的處理依賴于該中止的線程，可以使用Join()方法，等待線程中止： thread.Abort(); thread.Join();通過(guò)使用Join()，線程可以在中止前阻塞調(diào)用它的代碼。如果主線程要在它自己的線程上執(zhí)行某些操作，該怎么辦？此時(shí)需要一個(gè)線程對(duì)象的引用來(lái)表示它自己的線程。在主線程中使用Thread類的靜態(tài)屬性CurrentThread，就可以獲得這樣一個(gè)引用： ThreadmyOwnThread=Thread.CurrentThread;9.2.2線程的掛起、恢復(fù)與終止【例9.1】使用兩個(gè)線程顯示計(jì)數(shù)。該示例的核心是方法DisplayNumbers()，它累加一個(gè)數(shù)字，并定期顯示每次累加的結(jié)果：

staticvoidDisplayNumbers() { //獲取當(dāng)前運(yùn)行線程的Thread對(duì)象實(shí)例并輸出名稱 ThreadthisThread=Thread.CurrentThread; Console.WriteLine("Startingthread:"+thisThread.Name); //循環(huán)計(jì)數(shù)直到結(jié)束，在指定的間隔輸出當(dāng)前計(jì)數(shù)值 for(inti=1;i<8*interval;i++) { if(i%interval==0) { Console.WriteLine(thisThread.Name+":當(dāng)前計(jì)數(shù)為"+i); } } Console.WriteLine("Thread"+thisThread.Name+"finished."); }9.2.2線程的掛起、恢復(fù)與終止本示例通過(guò)啟動(dòng)第二個(gè)工作線程來(lái)運(yùn)行DisplayNumbers()，但啟動(dòng)這個(gè)工作線程后，主線程就開(kāi)始執(zhí)行同一個(gè)方法，此時(shí)我們應(yīng)看到有兩個(gè)累加過(guò)程同時(shí)發(fā)生。以下給出本示例的全部代碼。該代碼段從類的聲明開(kāi)始，interval是這個(gè)類的一個(gè)靜態(tài)成員。9.2.2線程的掛起、恢復(fù)與終止兩個(gè)累加過(guò)程是完全獨(dú)立的，因?yàn)镈isplayNumbers()方法中用于累加數(shù)字的變量i是一個(gè)局部變量。局部變量只能在定義它們的方法中使用，也只有在執(zhí)行該方法的線程中是可見(jiàn)的。如果另一個(gè)線程開(kāi)始執(zhí)行這個(gè)方法，該線程就會(huì)獲得該局部變量的副本。運(yùn)行這段代碼，給interval選擇一個(gè)相對(duì)小的值100，得到如圖9.1所示的結(jié)果。9.2.2線程的掛起、恢復(fù)與終止為了使線程的并行看得更為明顯，我們?cè)谳斎霐?shù)字的時(shí)候輸入一個(gè)較大的值1000000，從而使得循環(huán)的時(shí)間大大加長(zhǎng)，在主線程結(jié)束之前工作線程也開(kāi)始工作了?，F(xiàn)在來(lái)看運(yùn)行結(jié)果如圖9.2所示（由于不同的計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度不同，下面的結(jié)果可能略有不同）。9.2.3線程的狀態(tài)及優(yōu)先級(jí)注意到Thread.ThreadState這個(gè)屬性，它代表了線程運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，在不同的情況下有不同的值，有時(shí)通過(guò)對(duì)該值的判斷來(lái)設(shè)計(jì)程序流程。ThreadState在各種情況下的可能取值如表9.3所示。線程狀態(tài)說(shuō)明Aborted線程已停止AbortRequested線程的Thread.Abort()方法已被調(diào)用，但是線程還未停止Background線程在后臺(tái)執(zhí)行，與屬性Thread.IsBackground有關(guān)Running線程正常運(yùn)行Stopped線程已被停止StopRequested線程正在被要求停止Suspended線程已被掛起（此狀態(tài)下，可以通過(guò)調(diào)用Resume()方法重新運(yùn)行）SuspendRequested線程正在要求被掛起，但未來(lái)得及響應(yīng)Unstarted未調(diào)用Thread.Start()開(kāi)始線程的運(yùn)行WaitSleepJoin線程因?yàn)檎{(diào)用了Wait()、Sleep()或Join()等方法而處于封鎖狀態(tài)。9.2.3線程的狀態(tài)及優(yōu)先級(jí)線程的優(yōu)先級(jí)定義為T(mén)hreadPriority枚舉類型，取值如表9.4所示。名稱含義Highest將線程安排在具有任何其他優(yōu)先級(jí)的線程之前。AboveNormal將線程安排在具有

Highest優(yōu)先級(jí)的線程之后，在具有

Normal優(yōu)先級(jí)的線程之前。Normal將線程安排在具有

AboveNormal優(yōu)先級(jí)的線程之后，在具有

BelowNormal優(yōu)先級(jí)的線程之前。默認(rèn)情況下，線程具有

Normal優(yōu)先級(jí)。BelowNormal將線程安排在具有

Normal優(yōu)先級(jí)的線程之后，在具有

Lowest優(yōu)先級(jí)的線程之前。Lowest將線程安排在具有任何其他優(yōu)先級(jí)的線程之后。9.2.3線程的狀態(tài)及優(yōu)先級(jí)在創(chuàng)建線程時(shí)如果不指定優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)將默認(rèn)為T(mén)hreadPriority.Normal。給一個(gè)線程指定優(yōu)先級(jí)，可以使用如下代碼： myThread.Priority=ThreadPriority.Lowest; //設(shè)定優(yōu)先級(jí)為最低通過(guò)設(shè)定線程的優(yōu)先級(jí)，可以安排一些相對(duì)重要的線程優(yōu)先執(zhí)行，如對(duì)用戶的響應(yīng)等?！纠?.2】在【例9.1】中，對(duì)Main()方法做如下修改，就可以看出修改線程的優(yōu)先級(jí)的效果：//建立新線程對(duì)象ThreadStartworkerStart=newThreadStart(DisplayNumbers);ThreadworkerThread=newThread(workerStart);workerThread.Name=ThreadPriority.AboveNormal;workerThread.Priority=AboveNormal;9.2.3線程的狀態(tài)及優(yōu)先級(jí)其中通過(guò)代碼設(shè)置工作線程的優(yōu)先級(jí)比主線程高，運(yùn)行結(jié)果如圖9.3所示。9.2.3線程的狀態(tài)及優(yōu)先級(jí)這說(shuō)明，當(dāng)工作線程的優(yōu)先級(jí)為AboveNormal時(shí)，一旦工作線程被啟動(dòng)，主線程就不再運(yùn)行，直到工作線程結(jié)束后主線程才重新計(jì)算。讓我們繼續(xù)試驗(yàn)操作系統(tǒng)如何對(duì)線程分配CPU時(shí)間：在DisplayNumbers()方法的循環(huán)體中加上一句代碼（加黑語(yǔ)句）： if(i%interval==0) { Console.WriteLine(thisThread.Name+":當(dāng)前計(jì)數(shù)為"+i);

Thread.Sleep(10); //讓當(dāng)前工作線程暫停10毫秒 }9.2.3線程的狀態(tài)及優(yōu)先級(jí)現(xiàn)在來(lái)看運(yùn)行結(jié)果如圖9.4所示。9.3線程的同步和通信9.3.1lock關(guān)鍵字C#提供了一個(gè)關(guān)鍵字lock，它可以把一段代碼定義為互斥段?；コ舛卧谝粋€(gè)時(shí)刻只允許一個(gè)線程進(jìn)入執(zhí)行，而其他線程必須等待。在C#中，關(guān)鍵字lock定義如下： lock(expression) { statement_block //將要執(zhí)行的代碼 }expression代表希望跟蹤的對(duì)象，通常是對(duì)象引用。9.3.1LOCK關(guān)鍵字【例9.3】設(shè)計(jì)控制臺(tái)應(yīng)用程序來(lái)體現(xiàn)lock關(guān)鍵字的使用。設(shè)計(jì)步驟：(1)新建控制臺(tái)應(yīng)用程序新建控制臺(tái)應(yīng)用程序并命名為“Ex9_3”。(2)添加類添加類，類名為“Account”，其代碼如下所示。(3)添加命名空間所要添加的命名空間為： usingSystem.Threading;9.3.1LOCK關(guān)鍵字(4)添加Main方法中的代碼所添加的代碼如下：classProgram{staticvoidMain(string[]args){Thread[]threads=newThread[10];Accountacc=newAccount(200);//實(shí)例化Account對(duì)象，開(kāi)始位置為200for(inti=0;i<10;i++) //實(shí)例化10個(gè)線程{Threadt=newThread(newThreadStart(acc.DoTransactions));threads[i]=t;}for(inti=0;i<10;i++) //開(kāi)啟這10個(gè)線程{ threads[i].Start(); }}}9.3.1LOCK關(guān)鍵字(5)運(yùn)行程序運(yùn)行程序，程序的運(yùn)行結(jié)果如圖9.5所示。9.3.2線程監(jiān)視器多線程公用一個(gè)對(duì)象時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)和公用代碼類似的問(wèn)題，這種問(wèn)題就不應(yīng)使用lock關(guān)鍵字，而要用到System.Threading中的一個(gè)類Monitor，稱為監(jiān)視器，Monitor提供了使線程共享資源的方案。Monitor的常用方法如表9.5所示。線程狀態(tài)說(shuō)明Enter在指定對(duì)象上獲取排他鎖。Exit釋放指定對(duì)象上的排他鎖。Pulse通知等待隊(duì)列中的線程鎖定對(duì)象狀態(tài)的更改。PulseAll通知所有的等待線程對(duì)象狀態(tài)的更改。TryEnter試圖獲取指定對(duì)象的排他鎖。

Wait釋放對(duì)象上的鎖并阻止當(dāng)前線程，直到它重新獲取該鎖。9.3.2線程監(jiān)視器下面的代碼說(shuō)明了使用Monitor鎖定一個(gè)對(duì)象queue的情形：

...... //方法 { Queuequeue=newQueue(); //新建對(duì)象queue Monitor.Enter(queue); try { //...... //現(xiàn)在Queue對(duì)象只能被當(dāng)前線程操縱了 } finally { Monitor.Exit(queue); //釋放鎖 }}9.3.3線程間的通信當(dāng)有若干個(gè)線程都要使用某一共享資源時(shí)，任何時(shí)刻最多只允許一個(gè)線程去使用，其它要使用該資源的線程必須等待，直到占用資源者釋放該資源。線程互斥是一種特殊的線程同步。實(shí)際上，互斥和同步對(duì)應(yīng)著線程間通信發(fā)生的兩種情況：(1)當(dāng)有多個(gè)線程訪問(wèn)共享資源而不使資源被破壞時(shí)。(2)當(dāng)一個(gè)線程需要將某個(gè)任務(wù)已經(jīng)完成的情況通知另外一個(gè)或多個(gè)線程時(shí)。9.3.3線程間的通信【例9.4】線程間的通信。設(shè)計(jì)步驟：(1)新建控制臺(tái)應(yīng)用程序新建控制臺(tái)應(yīng)用程序并命名為“Ex9_4”。(2)添加命名空間切換到代碼設(shè)計(jì)視圖。因?yàn)樯婕暗骄€程操作，所以添加命名空間：usingSystem.Threading;(3)添加類添加學(xué)生類“Student”。9.3.3線程間的通信添加線程1類，主要用于添加學(xué)生信息。publicclassThread1{privateStudentstudent;publicThread1(Studentstudent){ this.student=student; }publicvoidrun(){inti=0;while(true){i++;student.Add("學(xué)生"+i.ToString(),"1511"+i.ToString());}}}9.3.3線程間的通信添加線程2類，主要用于獲取學(xué)生信息。publicclassThread2{privateStudentstudent;publicThread2(Studentstudent){ this.student=student; }publicvoidrun(){while(true){ student.GetInfo(); }}}9.3.3線程間的通信(4)添加Main方法中的代碼所添加的代碼如下：classProgram{staticvoidMain(string[]args){Studentstudent=newStudent(); //實(shí)例化學(xué)生類newThread(newThreadStart(newThread1(student).run)).Start();//添加學(xué)生信息newThread(newThreadStart(newThread2(student).run)).Start();//讀取學(xué)生信息}}9.3.3線程間的通信(5)運(yùn)行程序運(yùn)行程序，程序的運(yùn)行結(jié)果如圖9.6所示。9.3.4子線程訪問(wèn)主線程的控件【例9.5】設(shè)計(jì)WinForm應(yīng)用程序來(lái)利用子線程訪問(wèn)主線程創(chuàng)建的控件。設(shè)計(jì)步驟：(1)新建WinForm應(yīng)用程序新建WinForm應(yīng)用程序并命名為“Ex9_5”。(2)設(shè)計(jì)窗體并添加控件將窗體調(diào)整到適當(dāng)大小，拖放一個(gè)TrackBar和一個(gè)Button控件。Form1的Text設(shè)置為“子線程訪問(wèn)主線程控件”，trackBar1的Maximum和LargeChange分別設(shè)置為“100”和“1”。(3)添加命名空間切換到代碼設(shè)計(jì)視圖。因?yàn)樯婕暗骄€程操作，所以添加命名空間： usingSystem.Threading;(4)添加事件和代碼切換到設(shè)計(jì)視圖。雙擊button1控件,添加代碼。9.3.4子線程訪問(wèn)主線程的控件(5)運(yùn)行程序運(yùn)行程序。單擊“button1”按鈕，運(yùn)行結(jié)果如圖9.7所示。9.4線程池和定時(shí)器9.