敬阿奇,C程序设计教程(第3版),第9章

第9章

多线程编程9.1线程概述9.2创建并控制一个线程9.3线程的同步和通信9.4线程池和定时器9.5互斥对象9.1线程概述浏览器就是一个很好的多线程例子，在浏览器中可以在下载Java小应用程序或图像的同时滚动页面，在访问新页面时播放动画、声音并打印文件等。多线程程序中，在一个线程必须等待的时候，CPU可以运行其他线程而不是等待，这就大大提高了程序的效率。

然而，我们也必须认识到线程本身可能存在影响系统性能的不利方面，才能正确使用线程。不利方面主要有：(1)线程也是程序，所以线程需要占用内存，线程越多占用内存也越多。(2)多线程需要协调和管理，所以需要占用CPU时间来跟踪线程。(3)线程之间对共享资源的访问会相互影响，必须解决争用共享资源的问题。(4)线程太多会导致控制太复杂，最终可能造成很多Bug。9.1线程概述当启动一个可执行程序时，将创建一个主线程，默认情况下，C#程序具有一个线程。此线程执行程序中以Main方法开始和结束的代码。Main直接或间接执行的每一个命令都由默认线程（或主线程）执行，当Main返回时此线程也将终止。例如创建一个Windows窗体应用程序，打开其中的“Program.cs”文件，其代码如下：staticclassProgram{///<summary>///应用程序的主入口点。///</summary>[STAThread]

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

一个处理器在某一刻只能处理一个任务，对于一个多处理器系统，理论上它可以同时执行多个指令——每个处理器执行一个指令，但大多数人使用的是单处理器计算机，这种情况是不可能同时发生的。表面上Windows操作系统上可以同时处理多个任务，这个过程称为抢先式多任务处理(pre-emptivemultitasking)，所谓抢先式多任务处理，是指Windows在某个进程中选择—个线程，该线程运行一小段时间。这个时间非常短，不会超过几毫秒。这段很短的时间称为线程的时间片(timeslice)。过了这个时间片后，Windows就收回控制权，选择下一个被分配了时间片的线程。这些时间片非常短，我们可以认为许多事件是同时发生的。

9.1.2什么时候使用多线程应用多线程技术最大的误区在于没有分清适用的情况就盲目地使用多线程。除非运行一个多处理器计算机，否则在CPU密集的任务中使用两个线程不能节省多少时间，理解这一点是很重要的。在单处理器计算机上，让两个线程都同时进行100万次运算所花的时间与让一个线程进行200万次运算是相同的，甚至使用两个线程所用的时间会略长，因为要处理另一个线程，操作系统必须用一定的时间切换线程，但这种区别可以忽略不计。使用线程带来的负面因素是必须额外考虑线程的并发、同步等线程安全问题，从而使得程序更加复杂而难以维护。有些场合则使用多线程技术非常适合，如一个服务器进程需要并发处理来自不同客户端的访问。此外，使用多个线程的优点有两个。9.2创建并控制一个线程9.2.1线程的建立与启动通过实例化一个Thread对象就可以创建一个线程。创建新的Thread对象时，将创建新的托管线程。Thread类接收一个ThreadStart委托或ParameterizedThreadStart委托的构造函数，该委托包装了调用Start方法时由新线程调用的方法。示例代码如下： Threadthread=newThread(newThreadStart(methord)); //创建线程 thread.Start(); //启动线程上述代码实例化了一个Thread对象，并指明了将要调用的方法methord，然后启动线程。ThreadStart委托中作为参数的方法不需要参数，并且没有返回值。ParameterizedThreadStart委托一个对象为参数，利用这个参数可以很方便地向线程传递参数。示例代码如下： Threadthread=newThread(newParameterizedThreadStart(methord)); //创建线程 thread.Start(3); //启动线程并传参数3Thread类的常用属性和方法如表9.1和表9.2所示。9.2.2线程的挂起、恢复与终止线程通过调用Suspend方法来挂起线程。当线程针对自身调用Suspend方法时，调用将会阻止，直到另一个线程继续该线程。当一个线程针对另一个线程调用Suspend方法时，调用是非阻止调用，这会导致另一线程挂起。线程通过调用Resume方法来恢复被挂起的线程。无论调用了多少次Suspend方法，调用Resume方法均会使另一个线程脱离挂起状态，并导致该线程继续执行。示例代码如下：

Threadthread=newThread(newThreadStart(methord)); //创建线程 thread.Start(); //启动线程 thread.Suspend(); //挂起线程 thread..Resume(); //恢复线程9.2.2线程的挂起、恢复与终止如果在应用程序中使用了多线程，辅助线程还没有执行完毕，在关闭窗体的时候必须要关闭辅助线程，否则会引发异常。示例代码如下： Threadthread=newThread(newThreadStart(methord)); //创建线程 thread.Start(); //启动线程 if(thread.IsAlive) { thread.Abort; } //关闭线程9.2.2线程的挂起、恢复与终止.NET使用的异常机制使线程的中止更加安全，但中止线程要用一定的时间，因为从理论上讲，异常处理块中的代码执行多长时间是没有限制的。因此，在中止线程后需要等待一段时间，线程完全中止后，才能继续执行其他操作。如果后续的处理依赖于该中止的线程，可以使用Join()方法，等待线程中止： thread.Abort(); thread.Join();通过使用Join()，线程可以在中止前阻塞调用它的代码。如果主线程要在它自己的线程上执行某些操作，该怎么办？此时需要一个线程对象的引用来表示它自己的线程。在主线程中使用Thread类的静态属性CurrentThread，就可以获得这样一个引用： ThreadmyOwnThread=Thread.CurrentThread;9.2.2线程的挂起、恢复与终止【例9.1】使用两个线程显示计数。该示例的核心是方法DisplayNumbers()，它累加一个数字，并定期显示每次累加的结果：

staticvoidDisplayNumbers() { //获取当前运行线程的Thread对象实例并输出名称 ThreadthisThread=Thread.CurrentThread; Console.WriteLine("Startingthread:"+thisThread.Name); //循环计数直到结束，在指定的间隔输出当前计数值 for(inti=1;i<8*interval;i++) { if(i%interval==0) { Console.WriteLine(thisThread.Name+":当前计数为"+i); } } Console.WriteLine("Thread"+thisThread.Name+"finished."); }9.2.2线程的挂起、恢复与终止本示例通过启动第二个工作线程来运行DisplayNumbers()，但启动这个工作线程后，主线程就开始执行同一个方法，此时我们应看到有两个累加过程同时发生。以下给出本示例的全部代码。该代码段从类的声明开始，interval是这个类的一个静态成员。9.2.2线程的挂起、恢复与终止两个累加过程是完全独立的，因为DisplayNumbers()方法中用于累加数字的变量i是一个局部变量。局部变量只能在定义它们的方法中使用，也只有在执行该方法的线程中是可见的。如果另一个线程开始执行这个方法，该线程就会获得该局部变量的副本。运行这段代码，给interval选择一个相对小的值100，得到如图9.1所示的结果。9.2.2线程的挂起、恢复与终止为了使线程的并行看得更为明显，我们在输入数字的时候输入一个较大的值1000000，从而使得循环的时间大大加长，在主线程结束之前工作线程也开始工作了。现在来看运行结果如图9.2所示（由于不同的计算机运行速度不同，下面的结果可能略有不同）。9.2.3线程的状态及优先级注意到Thread.ThreadState这个属性，它代表了线程运行时的状态，在不同的情况下有不同的值，有时通过对该值的判断来设计程序流程。ThreadState在各种情况下的可能取值如表9.3所示。线程状态说明Aborted线程已停止AbortRequested线程的Thread.Abort()方法已被调用，但是线程还未停止Background线程在后台执行，与属性Thread.IsBackground有关Running线程正常运行Stopped线程已被停止StopRequested线程正在被要求停止Suspended线程已被挂起（此状态下，可以通过调用Resume()方法重新运行）SuspendRequested线程正在要求被挂起，但未来得及响应Unstarted未调用Thread.Start()开始线程的运行WaitSleepJoin线程因为调用了Wait()、Sleep()或Join()等方法而处于封锁状态。9.2.3线程的状态及优先级线程的优先级定义为ThreadPriority枚举类型，取值如表9.4所示。名称含义Highest将线程安排在具有任何其他优先级的线程之前。AboveNormal将线程安排在具有

Highest优先级的线程之后，在具有

Normal优先级的线程之前。Normal将线程安排在具有

AboveNormal优先级的线程之后，在具有

BelowNormal优先级的线程之前。默认情况下，线程具有

Normal优先级。BelowNormal将线程安排在具有

Normal优先级的线程之后，在具有

Lowest优先级的线程之前。Lowest将线程安排在具有任何其他优先级的线程之后。9.2.3线程的状态及优先级在创建线程时如果不指定优先级，系统将默认为ThreadPriority.Normal。给一个线程指定优先级，可以使用如下代码： myThread.Priority=ThreadPriority.Lowest; //设定优先级为最低通过设定线程的优先级，可以安排一些相对重要的线程优先执行，如对用户的响应等。【例9.2】在【例9.1】中，对Main()方法做如下修改，就可以看出修改线程的优先级的效果：//建立新线程对象ThreadStartworkerStart=newThreadStart(DisplayNumbers);ThreadworkerThread=newThread(workerStart);workerThread.Name=ThreadPriority.AboveNormal;workerThread.Priority=AboveNormal;9.2.3线程的状态及优先级其中通过代码设置工作线程的优先级比主线程高，运行结果如图9.3所示。9.2.3线程的状态及优先级这说明，当工作线程的优先级为AboveNormal时，一旦工作线程被启动，主线程就不再运行，直到工作线程结束后主线程才重新计算。让我们继续试验操作系统如何对线程分配CPU时间：在DisplayNumbers()方法的循环体中加上一句代码（加黑语句）： if(i%interval==0) { Console.WriteLine(thisThread.Name+":当前计数为"+i);

Thread.Sleep(10); //让当前工作线程暂停10毫秒 }9.2.3线程的状态及优先级现在来看运行结果如图9.4所示。9.3线程的同步和通信9.3.1lock关键字C#提供了一个关键字lock，它可以把一段代码定义为互斥段。互斥段在一个时刻只允许一个线程进入执行，而其他线程必须等待。在C#中，关键字lock定义如下： lock(expression) { statement_block //将要执行的代码 }expression代表希望跟踪的对象，通常是对象引用。9.3.1LOCK关键字【例9.3】设计控制台应用程序来体现lock关键字的使用。设计步骤：(1)新建控制台应用程序新建控制台应用程序并命名为“Ex9_3”。(2)添加类添加类，类名为“Account”，其代码如下所示。(3)添加命名空间所要添加的命名空间为： usingSystem.Threading;9.3.1LOCK关键字(4)添加Main方法中的代码所添加的代码如下：classProgram{staticvoidMain(string[]args){Thread[]threads=newThread[10];Accountacc=newAccount(200);//实例化Account对象，开始位置为200for(inti=0;i<10;i++) //实例化10个线程{Threadt=newThread(newThreadStart(acc.DoTransactions));threads[i]=t;}for(inti=0;i<10;i++) //开启这10个线程{ threads[i].Start(); }}}9.3.1LOCK关键字(5)运行程序运行程序，程序的运行结果如图9.5所示。9.3.2线程监视器多线程公用一个对象时，也会出现和公用代码类似的问题，这种问题就不应使用lock关键字，而要用到System.Threading中的一个类Monitor，称为监视器，Monitor提供了使线程共享资源的方案。Monitor的常用方法如表9.5所示。线程状态说明Enter在指定对象上获取排他锁。Exit释放指定对象上的排他锁。Pulse通知等待队列中的线程锁定对象状态的更改。PulseAll通知所有的等待线程对象状态的更改。TryEnter试图获取指定对象的排他锁。

Wait释放对象上的锁并阻止当前线程，直到它重新获取该锁。9.3.2线程监视器下面的代码说明了使用Monitor锁定一个对象queue的情形：

...... //方法 { Queuequeue=newQueue(); //新建对象queue Monitor.Enter(queue); try { //...... //现在Queue对象只能被当前线程操纵了 } finally { Monitor.Exit(queue); //释放锁 }}9.3.3线程间的通信当有若干个线程都要使用某一共享资源时，任何时刻最多只允许一个线程去使用，其它要使用该资源的线程必须等待，直到占用资源者释放该资源。线程互斥是一种特殊的线程同步。实际上，互斥和同步对应着线程间通信发生的两种情况：(1)当有多个线程访问共享资源而不使资源被破坏时。(2)当一个线程需要将某个任务已经完成的情况通知另外一个或多个线程时。9.3.3线程间的通信【例9.4】线程间的通信。设计步骤：(1)新建控制台应用程序新建控制台应用程序并命名为“Ex9_4”。(2)添加命名空间切换到代码设计视图。因为涉及到线程操作，所以添加命名空间：usingSystem.Threading;(3)添加类添加学生类“Student”。9.3.3线程间的通信添加线程1类，主要用于添加学生信息。publicclassThread1{privateStudentstudent;publicThread1(Studentstudent){ this.student=student; }publicvoidrun(){inti=0;while(true){i++;student.Add("学生"+i.ToString(),"1511"+i.ToString());}}}9.3.3线程间的通信添加线程2类，主要用于获取学生信息。publicclassThread2{privateStudentstudent;publicThread2(Studentstudent){ this.student=student; }publicvoidrun(){while(true){ student.GetInfo(); }}}9.3.3线程间的通信(4)添加Main方法中的代码所添加的代码如下：classProgram{staticvoidMain(string[]args){Studentstudent=newStudent(); //实例化学生类newThread(newThreadStart(newThread1(student).run)).Start();//添加学生信息newThread(newThreadStart(newThread2(student).run)).Start();//读取学生信息}}9.3.3线程间的通信(5)运行程序运行程序，程序的运行结果如图9.6所示。9.3.4子线程访问主线程的控件【例9.5】设计WinForm应用程序来利用子线程访问主线程创建的控件。设计步骤：(1)新建WinForm应用程序新建WinForm应用程序并命名为“Ex9_5”。(2)设计窗体并添加控件将窗体调整到适当大小，拖放一个TrackBar和一个Button控件。Form1的Text设置为“子线程访问主线程控件”，trackBar1的Maximum和LargeChange分别设置为“100”和“1”。(3)添加命名空间切换到代码设计视图。因为涉及到线程操作，所以添加命名空间： usingSystem.Threading;(4)添加事件和代码切换到设计视图。双击button1控件,添加代码。9.3.4子线程访问主线程的控件(5)运行程序运行程序。单击“button1”按钮，运行结果如图9.7所示。9.4线程池和定时器9.