C#多线程学习之Thread、ThreadPool、Task、Parallel四者区别
时间：2022-03-11 08:51:25 | 栏目：.NET代码 | 点击：次
线程（英语：thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。进程是资源分配的基本单位。所有与该进程有关的资源，都被记录在进程控制块PCB中。以表示该进程拥有这些资源或正在使用它们。本文以一些简单的小例子，简述多线程的发展历程【Thread，ThreadPool，Task，Parallel】，仅供学习分享使用，如有不足之处，还请指正。
Thread
Thread做为早期【.Net Framework1.0】的.Net提供的多线程方案，提供了很多的封装方法，来操作线程。具体如下所示：
- Start方法，用于启动一个线程。线程的状态变更为Running。
- Suspend方法，挂起一个线程，或者如果线程状态为已挂起，则不起作用。
- Resume方法，如果线程为已挂起，这继续运行。
- Join方法，等待线程，直到线程结束，也可以设置等待时间。
- Abort方法，强制终止线程，跑出ThreadAbortException异常。
- 其他线程属性：IsBackground是否后台线程，IsThreadPoolThread是否线程池线程，IsAlive线程是否运行，Priority线程优先级，ThreadState当前线程状态，ManagedThreadId线程唯一标识等
通过Thread可以单独的开启一个线程，通过构造函数来创建线程对象，可以是无参数也可以是带参数。其中参数ThreadStart是一个无参数委托，ParameterizedThreadStart为一个带参数委托。
无参数，示例如下所示：
private void btnThread_Click(object sender, EventArgs e)
{
ThreadStart threadStart = new ThreadStart(DoSomethingLong);
Thread thread = new Thread(threadStart);
thread.Start();
}
private void DoSomethingLong() {
string name = "Thread";
Console.WriteLine("************DoSomethingLong 开始 name= {0} 线程ID= {1} 时间 = {2}************", name, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.fff"));
//CPU计算累加和
long rest = 0;
for (int i = 0; i < 1000000000; i++)
{
rest += i;
}
Console.WriteLine("************DoSomethingLong 结束 name= {0} 线程ID= {1} 时间 = {2} 结果={3}************", name, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.fff"), rest);
}
示例结果如下所示：
带参数示例，如下所示：
private void btnThread2_Click(object sender, EventArgs e)
{
ParameterizedThreadStart threadStart = new ParameterizedThreadStart(DoSomethingLongWithParam);
Thread thread = new Thread(threadStart);
string name = "Param";
thread.Start(name);
}
private void DoSomethingLongWithParam(object name) {
Console.WriteLine("************DoSomethingLongWithParam 开始 name= {0} 线程ID= {1} 时间 = {2}************", name, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.fff"));
//CPU计算累加和
long rest = 0;
for (int i = 0; i < 1000000000; i++)
{
rest += i;
}
Console.WriteLine("************DoSomethingLongWithParam 结束 name= {0} 线程ID= {1} 时间 = {2} 结果={3}************", name, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.fff"), rest);
}
带参数示例结果，如下所示：
通过对以上示例进行分析，得出结论如下所示：
- 线程是由操作系统进行创建的，Thread提供的方法只是对底层方法的封装。比如执行对应方法后，操作系统并不会立即执行相应的操作，而要CPU时间片轮转后才会执行响应。
- Thread创建线程过于松散，缺乏管理，例如，如果同时创建10000个线程，程序也不会报错，但是系统可能无法承载如此多的线程而导致崩溃。
- Thread的频繁创建和销毁，也会消耗系统资源。
ThreadPool
为了应对Thread创建缺乏管理的问题，在后续版本【.Net Framework2.0】中推出了线程池的概念。那什么是线程池呢？
池化资源管理设计思想：线程是一种资源，之前每次需要线程，都是去创建线程，使用完成后，再释放掉。池化，就是做一个容器，容器提前申请指定数量的线程，需要用到线程的时候，直接到线程池中取，用完之后再放回容器【通过控制状态标识线程是否正在被使用】。避免频繁的创建和销毁，容器还会根据限制的数量取申请和释放。
关于通过线程池创建多线程，具体示例如下：
private void btnThread3_Click(object sender, EventArgs e)
{
WaitCallback waitCallback = new WaitCallback(DoSomethingLongWithParam);
string name = "ThreadPool";
ThreadPool.QueueUserWorkItem(waitCallback,name);
}
线程池示例执行结果如下所示：
通过对线程池执行结果进行分析，得出结论如下：
- 两次执行结果，均为同一个线程ID，说明线程用完并未销毁，而是放回线程池子，待下次使用时重新取出，继续使用。
- 通过线程池可以有效的控制线程并发的数量，避免资源的浪费。
- 通过分析源码发现，ThreadPool线程池提供的接口较少，在线程等待和交互方面不太友好。
Task
随着.Net版本的演化，后续版本【.Net Framework3.0】推出了Task做为多线程解决方案。默认情况下，可以通过构造函数创建Task，示例如下：
private void btnTask_Click(object sender, EventArgs e)
{
Action action = new Action(DoSomethingLong);
Task task = new Task(action);
task.Start();
}
默认Task示例，执行结果如下：
通过对以上Task示例和源码进行分析，得出结论如下：
- Task产生的线程，全部都是线程池线程。
- Task提供的丰富的API，便于开发实践。
Parallel
Parallel提供对并行线程的支持，可以通过Parallel同时发起多个线程，在某些方面具有应用优势，默认示例如下所示：
private void btnParallel_Click(object sender, EventArgs e)
{
Action action = new Action(DoSomethingLong);
Parallel.Invoke(action,action,action);
}
Parallel的Invoke方法执行，结果如下：
通过对Parallel的Invoke示例方法进行分析，得出结论如下：
- Parallel的Invoke方法，可以同时开启多个线程，同时主线程【线程ID=1】也会参与计算，即页面也会卡住。
- Parallel可以通过ParallelOptions.MaxDegreeOfParallelism指定并发数量。
Task专讲
以下面的一个场景为例进行说明：
假如开发一个系统，流程如下：
1. 前期的需求调研，需求分析，系统设计，详细设计（顺序执行，是开发编码的前提）
2.按模块开发【中间阶段，可多人同时工作】
3.测试【顺序执行，是开发编码的后续工作】
分析：以上三个阶段，每一个阶段又可以细分数个小阶段，其中有些阶段是顺序执行的，有些阶段又可以并行执行。
以代码的形式进行描述，如下所示：
private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)
{
//开发前的工作
Console.WriteLine("组建团队");
Console.WriteLine("需求分析");
Console.WriteLine("系统设计");
Console.WriteLine("详细设计");
//开始开发
Task.Run(() => { Coding("张三", "接口"); });
Task.Run(() => { Coding("李四", "前端页面"); });
Task.Run(() => { Coding("王五", "手机App"); });
Task.Run(() => { Coding("刘大", "后端业务"); });
//开发后的工作
Console.WriteLine("alpha测试");
Console.WriteLine("beta测试");
Console.WriteLine("uat测试");
Console.WriteLine("系统上线");
}
private void Coding(string developer,string model) {
Console.WriteLine("【Begin】在{0}，{1}开始开发{2}，线程id为{3}", DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff"), developer,model, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
Thread.Sleep(1000);
Console.WriteLine("【 End 】在{0}，{1}完成开发{2}，线程id为{3}", DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff"), developer, model, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}
示例运行结果，如下所示：
通过分析以上示例，发现程序并未按照预期的运行，很明显的一点：测试跑到了开发前面。
为了解决上述顺序错乱的问题，Task提供了WaitAll方法，如下所示：
private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)
{
//开发前的工作
Console.WriteLine("组建团队");
Console.WriteLine("需求分析");
Console.WriteLine("系统设计");
Console.WriteLine("详细设计");
//开始开发
List<Task> tasks = new List<Task>();
tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("张三", "接口"); }));
tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("李四", "前端页面"); }));
tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("王五", "手机App"); }));
tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("刘大", "后端业务"); }));
Task.WaitAll(tasks.ToArray());
//开发后的工作
Console.WriteLine("alpha测试");
Console.WriteLine("beta测试");
Console.WriteLine("uat测试");
Console.WriteLine("系统上线");
}
运行示例，结果如下所示：
通过运行以上示例，发现：顺序确实符合预期，可以满足要求，但是程序会卡住，这点不太友好。
如何才能优雅的控制先后顺序呢？Task还提供了TaskFactory，如下所示：
private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)
{
//开发前的工作
Console.WriteLine("组建团队");
Console.WriteLine("需求分析");
Console.WriteLine("系统设计");
Console.WriteLine("详细设计");
//开始开发
List<Task> tasks = new List<Task>();
tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("张三", "接口"); }));
tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("李四", "前端页面"); }));
tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("王五", "手机App"); }));
tasks.Add(Task.Run(() => { Coding("刘大", "后端业务"); }));
TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
taskFactory.ContinueWhenAll(tasks.ToArray(), new Action<Task[]>((taskArray) => {
//开发后的工作
Console.WriteLine("alpha测试");
Console.WriteLine("beta测试");
Console.WriteLine("uat测试");
Console.WriteLine("系统上线");
}));
}
TaskFactory示例测试，如下所示：
通过对示例进行分析，得出如下结论：
- 业务逻辑上已要求，页面也不会卡顿，优雅的实现了多线程的操作。
- Task产生的线程，为线程池线程。
- TaskFactory不仅提供了ContinueWhenAll等待所有线程，还提供了ContinueWhenAny等待任意线程。