C#基礎(chǔ)–進(jìn)程和線程的認(rèn)識

一、基礎(chǔ)概念

1. 什么是進(jìn)程？

進(jìn)程并不是物理的東西，是虛擬出來的，是一種概念。當(dāng)一個程序開始運(yùn)行時，它就是一個進(jìn)程，進(jìn)程包括運(yùn)行中的程序和程序所使用到的內(nèi)存和系統(tǒng)資源。而一個進(jìn)程又是由多個線程所組成的。是一種計(jì)算機(jī)概念，是程序在運(yùn)行的時候，記錄當(dāng)前程序?qū)τ?jì)算機(jī)的各種資源的消耗。

如任務(wù)管理器中的應(yīng)用進(jìn)程等

2. 什么是線程？

線程是程序中的一個執(zhí)行流，每個線程都有自己的專有寄存器(棧指針、程序計(jì)數(shù)器等)，但代碼區(qū)是共享的，即不同的線程可以執(zhí)行同樣的函數(shù)。也是一種計(jì)算機(jī)概念，線程是進(jìn)程在響應(yīng)操作的時候一個最小的單元，也包括CPU/硬盤/內(nèi)存等。

3. 什么是句柄？

描述程序中的某一個最小單元，是一個long數(shù)字，操作系統(tǒng)通過這個數(shù)組識別應(yīng)用程序。

4. 什么是多線程？

多線程是指程序中包含多個執(zhí)行流，即在一個程序中可以同時運(yùn)行多個不同的線程來執(zhí)行不同的任務(wù)，也就是說允許單個程序創(chuàng)建多個并行執(zhí)行的線程來完成各自的任務(wù)。

**多線程的好處： **
可以提高CPU的利用率。在多線程程序中，一個線程必須等待的時候，CPU可以運(yùn)行其它的線程而不是等待，這樣就大大提高了程序的效率。

多線程的不利方面：
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；?
多線程需要協(xié)調(diào)和管理，所以需要CPU時間跟蹤線程；?
線程之間對共享資源的訪問會相互影響，必須解決競用共享資源的問題；
線程太多會導(dǎo)致控制太復(fù)雜，最終可能造成很多Bug；

5. 何時使用多線程？

? 多線程程序一般被用來在后臺執(zhí)行耗時的任務(wù)。主線程保持運(yùn)行，并且工作線程做它的后臺工作。對于Windows Forms程序來說，如果主線程試圖執(zhí)行冗長的操作，鍵盤和鼠標(biāo)的操作會變的遲鈍，程序也會失去響應(yīng)。由于這個原因，應(yīng)該在工作線程中運(yùn)行一個耗時任務(wù)時添加一個工作線程，即使在主線程上有一個有好的提示“處理中…”，以防止工作無法繼續(xù)。這就避免了程序出現(xiàn)由操作系統(tǒng)提示的“沒有相應(yīng)”，來誘使用戶強(qiáng)制結(jié)束程序的進(jìn)程而導(dǎo)致錯誤。模式對話框還允許實(shí)現(xiàn)“取消”功能，允許繼續(xù)接收事件，而實(shí)際的任務(wù)已被工作線程完成。BackgroundWorker恰好可以輔助完成這一功能。

? 在沒有用戶界面的程序里，比如說Windows Service， 多線程在當(dāng)一個任務(wù)有潛在的耗時，因?yàn)樗诘却砼_電腦的響應(yīng)（比如一個應(yīng)用服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，或者一個客戶端）的實(shí)現(xiàn)特別有意義。用工作線程完成任務(wù)意味著主線程可以立即做其它的事情。

? 另一個多線程的用途是在方法中完成一個復(fù)雜的計(jì)算工作。這個方法會在多核的電腦上運(yùn)行的更快，如果工作量被多個線程分開的話（使用Environment.ProcessorCount屬性來偵測處理芯片的數(shù)量）。

? 一個C#程序稱為多線程的可以通過2種方式：明確地創(chuàng)建和運(yùn)行多線程，或者使用.NET framework的暗中使用了多線程的特性——比如BackgroundWorker類, 線程池，threading timer，遠(yuǎn)程服務(wù)器，或Web Services或ASP.NET程序。在后面的情況，人們別無選擇，必須使用多線程；一個單線程的ASP.NET web server不是太酷，即使有這樣的事情；幸運(yùn)的是，應(yīng)用服務(wù)器中多線程是相當(dāng)普遍的；唯一值得關(guān)心的是提供適當(dāng)鎖機(jī)制的靜態(tài)變量問題。

6. 何時不要使用多線程?

? 多線程也同樣會帶來缺點(diǎn)，最大的問題是它使程序變的過于復(fù)雜，擁有多線程本身并不復(fù)雜，復(fù)雜是的線程的交互作用，這帶來了無論是否交互是否是有意的，都會帶來較長的開發(fā)周期，以及帶來間歇性和非重復(fù)性的bugs。因此，要么多線程的交互設(shè)計(jì)簡單一些，要么就根本不使用多線程。除非你有強(qiáng)烈的重寫和調(diào)試欲望。

? 當(dāng)用戶頻繁地分配和切換線程時，多線程會帶來增加資源和CPU的開銷。在某些情況下，太多的I/O操作是非常棘手的，當(dāng)只有一個或兩個工作線程要比有眾多的線程在相同時間執(zhí)行任務(wù)塊的多。稍后我們將實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者/耗費(fèi)者 隊(duì)列，它提供了上述功能。

7. 進(jìn)程和線程的關(guān)系？

它們兩是一種包含關(guān)系，線程是屬于某一個進(jìn)程的，如果一個進(jìn)程被銷毀了，那隸屬于該進(jìn)程的線程也就不存在了。

二、Thread – 線程

Thread 來自于 System.Threading 的一個密封類，它是.Net Framework 1.0 時代出現(xiàn)的，在C# 中用來操作線程的一個幫助類庫；

1. 為什么可以多線程？

• 一個CPU有多個核，可以并行計(jì)算

  

• 例如我們通常叫的“雙核四線程”，這里的線程其實(shí)是模擬核

2. 什么叫CPU的分片，為什么要對CPU分片呢？

某1s 的處理能切分成 1000 份，操作系統(tǒng)調(diào)度去相應(yīng)不同的任務(wù)；

從宏觀的角度來說，感覺就有多個任務(wù)在并發(fā)執(zhí)行；

從微觀的角度來說，一個物理CPU不能在某一時刻為一個任務(wù)服務(wù)；

3. 同步方法和異步方法的區(qū)別？

同步方法：同步方法調(diào)用在程序繼續(xù)執(zhí)行之前需要等待同步方法執(zhí)行完畢返回結(jié)果；

private void btnSync_Click(object sender, EventArgs e)
{
     for (int i = 0; i < 5; i++)
     {
         string name = string.Format($"btnSync_Click_{i}");
         this.DoSomethingLong(name);
     }
}
private void DoSomethingLong(string name)
{
    long lResult = 0;
    for (int i = 0; i < 1_000_000_000; i++)
    {
        lResult += i;
    }
}

異步方法：在被調(diào)用之后立即返回以便程序在被調(diào)用方法完成其任務(wù)的同時執(zhí)行其它操作。

Action<string> action = this.DoSomethingLong;
 for (int i = 0; i < 5; i++)
 {
     action.BeginInvoke("btnAsync_Click", null, null);
 }

private void DoSomethingLong(string name)
{
	Console.WriteLine($"****************DoSomethingLong Start  {name}  {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} {DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");
    long lResult = 0;
    for (int i = 0; i < 1_000_000_000; i++)
    {
        lResult += i;
    }
    Console.WriteLine($"****************DoSomethingLong   End  {name}  {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} {DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")} {lResult}***************");
}

體驗(yàn)對比

• 同步方法卡界面：主線線程（UI線程）忙于計(jì)算，無暇他顧

• 異步方法不卡界面：因?yàn)楫惒椒椒ㄊ切聠右粋€線程去完后計(jì)算，主線程閑置；改善用戶體驗(yàn)，winform程序點(diǎn)擊某一個按鈕，不會卡死界面；發(fā)短信，發(fā)郵件可以交給一個子線程去完成

速度對比

• 同步方法執(zhí)行慢：只有一個線程完成計(jì)算

• 異步方法執(zhí)行快：多個線程去完成計(jì)算，資源換性能

執(zhí)行順序?qū)Ρ?/strong>

private void btnAsyncAdvanced_Click(object sender, EventArgs e)
{
   //回調(diào)：把后續(xù)的動作通過回調(diào)參數(shù)傳遞進(jìn)去，子線程完成計(jì)算以后，去嗲用這個回調(diào)委托
   //AsyncCallback 委托要用的方法必須是IAsyncResult 參數(shù)，該參數(shù)存了回調(diào)方法所需參數(shù)為object對象。
   AsyncCallback callback = ar =>
   {
       Console.WriteLine($"計(jì)算結(jié)束了。。。。{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
   };
   
   Func<string, string> func = (ar) => {
       Console.WriteLine($"線程Id：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
       Thread.Sleep(5 * 1000);
       return "Hyl";
   };
   
   func.BeginInvoke("大白", callback, null); 
}

//IASyncResult參數(shù)1-N由自定義委托AddDelegate決定，AddDelegate有N個參數(shù)，那么就有N個參數(shù)
IAsyncResult asyncResult = func.BeginInvoke("大白", callback, null); 

var result = func.EndInvoke(asyncResult);
Console.WriteLine("執(zhí)行結(jié)果=" + result);

AsyncCallback callback = (ar) =>
{
    Console.WriteLine(JsonConvert.SerializeObject(ar));
    Console.WriteLine($"計(jì)算結(jié)束了。。。。{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
};

IAsyncResult asyncResult = func.BeginInvoke("大白", callback, null);	

var result = func.EndInvoke(asyncResult);
Console.WriteLine("獲取執(zhí)行結(jié)果=" + result);

//此處的asyncResult 和回調(diào)函數(shù)中的 ar 是同一個類，同樣的數(shù)據(jù)
//回調(diào)函數(shù)中使用 object.ReferenceEquals(ar, asyncResult); => 結(jié)果為：true
IAsyncResult asyncResult = func.BeginInvoke("大白", callback, null);	
Console.WriteLine("--------------func.BeginInvoke 異步執(zhí)行開始------------------");

var result = func.EndInvoke(asyncResult);
Console.WriteLine("func.EndInvoke 獲取執(zhí)行結(jié)果=" + result);

Console.WriteLine("--------------btnAsyncAdvanced_Click 同步執(zhí)行結(jié)束------------------");

{
  "IsCompleted": true,
  "AsyncDelegate": {		//委托方法信息
    "Method": {
      "Name": "<btnAsyncAdvanced_Click>b__4_1",
      "AssemblyName": "MyAsyncThread, Version=1.0.0.0, Culture=neutral, PublicKeyToken=null",
      "ClassName": "MyAsyncThread.frmThreads+<>c",
      "Signature": "System.String <btnAsyncAdvanced_Click>b__4_1(System.String)",
      "Signature2": "System.String <btnAsyncAdvanced_Click>b__4_1(System.String)",
      "MemberType": 8,
      "GenericArguments": null
    },
    "Target": {}
  },
  "AsyncState": null,	//func.BeginInvoke("大白", callback, 52032); 如最后一個參數(shù)設(shè)置了值，則AsyncState便是什么值 "AsyncState": 52032
  "CompletedSynchronously": false,
  "EndInvokeCalled": true,	//如果Func委托未使用EndInvoke的時候，此屬性為 false
  "AsyncWaitHandle": {	//句柄
    "Handle": {
      "value": 1796
    },
    "SafeWaitHandle": {
      "IsInvalid": false,
      "IsClosed": false
    }
  },
  "NextSink": null
}

while (!asyncResult.IsCompleted) {
    Thread.Sleep(1000);
    Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:fff") + " 線程暫未結(jié)束");
}

var re = func.EndInvoke(asyncResult);
Console.WriteLine("func.EndInvoke 獲取執(zhí)行結(jié)果=" + re);

asyncResult.AsyncWaitHandle.WaitOne();  //一直等待任務(wù)完成
asyncResult.AsyncWaitHandle.WaitOne(-1);  //一直等待任務(wù)完成，-1無限期等待
asyncResult.AsyncWaitHandle.WaitOne(3000);  //最多等待3000毫秒=3秒，如果超時則不等待了