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.NET異步和多線程系列（一）

本系列将和大家分享.Net中的異步和多線程，本文是該系列的開篇。

本系列将和大家分享.Net中的異步多線程，本文是該系列的開篇。首先來看些概念：

程序：計算機概念，虛拟的概念，程式在伺服器運作時占據全部計算資源的總和，我們給它起個名字叫程序。

線程：計算機概念，虛拟的概念，程序在響應操作時最小機關，也包含CPU 記憶體  網絡  硬碟IO。

多線程：計算機概念，一個程序有多個線程同時運作。

程序與線程的差別：

　　1、線程是程式執行的最小機關，而程序是作業系統配置設定資源的最小機關；

　　2、一個程序由一個或多個線程組成，線程是一個程序中代碼的不同執行路線。

　　3、程序之間互相獨立，但同一程序下的各個線程之間共享程式的記憶體空間(包括代碼段，資料集，堆等)及一些程序級的資源(如打開檔案和信号等)，某程序内的線程在其他程序不可見；

　　4、排程和切換：線程上下文切換比程序上下文切換要快得多。

　　5、包含關系：沒有線程的程序可以看作是單線程的。如果一個程序内有多個線程，則執行過程不是一條線的，而是多條線（線程）共同完成的；線程是程序的一部分，是以線程也被稱為輕權程序或者輕量級程序。

線程和程序關系示意圖：

.NET異步和多線程系列（一）
.NET異步和多線程系列（一）

總之，線程和程序都是一種抽象的概念，線程是一種比程序還小的抽象，線程和程序都可用于實作并發。在早期的作業系統中并沒有線程的概念，程序是能擁有資源和獨立運作的最小機關，也是程式執行的最小機關，它相當于一個程序裡隻有一個線程，程序本身就是線程。是以線程有時被稱為輕量級程序。

後來，随着計算機的發展，對多個任務之間上下文切換的效率要求越來越高，就抽象出一個更小的概念——線程，一般一個程序會有多個(也可以是一個)線程。

.NET異步和多線程系列（一）
任務排程：大部分作業系統的任務排程是采用時間片輪轉的搶占式排程方式，也就是說一個任務執行一小段時間後強制暫停去執行下一個任務，每個任務輪流執行。任務執行的一小段時間叫做時間片，任務正在執行時的狀态叫運作狀态，任務執行一段時間後強制暫停去執行下一個任務，被暫停的任務就處于就緒狀态，等待下一個屬于它的時間片的到來。這樣每個任務都能得到執行，由于CPU的執行效率非常高，時間片非常短，在各個任務之間快速地切換，給人的感覺就是多個任務在“同時進行”，這也就是我們所說的并發。
.NET異步和多線程系列（一）

為何不使用多程序而是使用多線程？

線程廉價，線程啟動比較快，退出比較快，對系統資源的沖擊也比較小。而且線程彼此分享了大部分核心對象(File Handle)的擁有權。如果使用多重程序，它是不可預期的，且測試困難。

為什麼可以多線程呢？

　　1、多個CPU的核可以并行工作，4核8線程，這裡的線程指的是模拟核。

　　2、CPU分片，1s的處理能力分成1000份，作業系統排程着去響應不同的任務。從宏觀角度來說，感覺就是多個任務在并發執行，從微觀角度來說，一個實體cpu同一時刻隻能為一個任務服務。

并行和并發：多核之間的叫并行，CPU分片的叫并發。

同步和異步：

　　同步方法：發起調用，完成後才繼續下一行；非常符合開發思維，有序執行。

　　異步方法：發起調用，不等待完成，直接進入下一行，啟動一個新線程來完成方法的計算。

至此相關概念介紹完了，下面我們正式進入本章主題：

C#裡面的多線程：Thread類是C#語言對線程對象的一個封裝。

為了示範此處我們使用VS2017建個Windows窗體應用程式MyAsyncThread，目标架構為：.NET Framework 4.6.1，如下所示：

.NET異步和多線程系列（一）
此外，如果大家有使用過異步多線程的都知道，我們的異步多線程是不好調試的，一般我們會采用輸出一些資訊等方法來輔助我們調試和了解。對此我們有個小技巧，就是将應用程式的輸出類型改為控制台應用程式，這樣我們在啟動程式的時候就會有2個視窗，一個是應用程式視窗，另外一個是控制台視窗。如下所示：
.NET異步和多線程系列（一）
設定完，啟動後就有2個視窗了，如下所示：
.NET異步和多線程系列（一）
首先我們來看個很簡單的同步方法： 

/// <summary>
/// 一個比較耗時耗資源的私有方法
/// </summary>
private void DoSomethingLong(string name)
{
    Console.WriteLine($"****************DoSomethingLong Start  {name}  {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");
    long lResult = 0;
    for (int i = 0; i < 1_000_000_000; i++)
    {
        lResult += i;
    }
    //Thread.Sleep(2000);
    Console.WriteLine($"****************DoSomethingLong   End  {name}  {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")} {lResult}***************");
}      
/// <summary>
/// 同步方法
/// </summary>
private void btnSync_Click(object sender, EventArgs e)
{
    Console.WriteLine($"****************btnSync_Click Start {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");
    int l = 3;
    int m = 4;
    int n = l + m;
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        string name = string.Format($"btnSync_Click_{i}");
        this.DoSomethingLong(name);
    }
    Console.WriteLine($"****************btnSync_Click   End {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");
}

運作起來，點選同步方法後，會發現如果控制台還未輸出完，此時WinForm視窗會卡在那裡，無法拖動：

.NET異步和多線程系列（一）

如果我們使用委托的BeginInvoke異步方法去執行會發現WinForm界面不會卡主：

/// <summary>
/// 異步方法
/// </summary>
private void btnAsync_Click(object sender, EventArgs e)
{
    Console.WriteLine($"****************btnAsync_Click Start {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");
    Action<string> action = this.DoSomethingLong;

    //action.Invoke("btnAsync_Click_1");
    //action("btnAsync_Click_1");

    //委托自身需要的參數+2個異步參數
    //action.BeginInvoke("btnAsync_Click_1", null, null);

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        string name = string.Format($"btnAsync_Click_{i}");
        action.BeginInvoke(name, null, null); //異步（開啟一個子線程去完成）
    }

    Console.WriteLine($"****************btnAsync_Click End   {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");
}

此時控制台輸出結果如下：

.NET異步和多線程系列（一）

點選異步方法去執行，會發現馬上可以拖動WinForm視窗，并不會像同步方法那樣卡界面。那這是為什麼呢？

通過對比同步方法和異步方法的執行結果會發現：

/// <summary>
/// 異步方法
/// 1 同步方法卡界面：主線程(UI線程)忙于計算，無暇他顧。
///   異步多線程方法不卡界面：主線程閑置，計算任務交給子線程完成。
///   改善使用者體驗，WinForm點選個按鈕不至于卡死；
///   Web應用發個短信通知，異步多線程去發短信；
/// 
/// 2 同步方法慢，隻有一個線程計算
///   異步多線程方法快，因為5個線程并發計算
///   12658ms   3636ms  不到4倍   CPU密集型計算(資源受限)
///   10126ms   2075ms  差不多5倍，也不到5倍，Sleep(資源夠用)
///   多線程其實是資源換性能，1 資源不是無限的  2 資源排程損耗
///   
///   一個訂單表統計很耗時間，能不能多線程優化下性能？  不能！這就是一個操作，沒法并行
///   需要查詢資料庫/調用接口/讀硬碟檔案/做資料計算，能不能多線程優化下性能？ 可以，多個任務可以并行
///   線程不是越多越好，因為資源有限，而且調用有損耗
///   
/// 3 同步方法有序進行，異步多線程無序
///   啟動無序：線程資源是向作業系統申請的，由作業系統的排程政策決定，是以啟動順序随機
///   同一個任務同一個線程，執行時間也不确定，CPU分片
///   以上相加，結束也無序
///   使用多線程請一定小心，很多事兒不是相當然的，尤其是多線程操作間有順序要求的時候，
///   通過延遲一點啟動來控制順序？或者預計下結束順序？  這些都不靠譜！
///   
///   需要控制順序，晚點分解！
/// </summary>

如果我們想在異步方法調用完之後再執行某些業務邏輯的話要怎麼實作呢？（控制順序）

方法1：調用BeginInvoke的時候傳入回調函數。

/// <summary>
/// 異步進階
/// </summary>
private void btnAsyncAdvanced_Click(object sender, EventArgs e)
{
    Console.WriteLine($"****************btnAsyncAdvanced_Click Start {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");

    Action<string> action = this.DoSomethingLong;

    //1 回調：将後續動作通過回調參數傳遞進去，子線程完成計算後，去調用這個回調委托
    IAsyncResult asyncResult = null; //IAsyncResult是對異步調用操作的描述
    AsyncCallback callback = ar =>
    {
        Console.WriteLine($"{object.ReferenceEquals(ar, asyncResult)}");
        Console.WriteLine($"btnAsyncAdvanced_Click計算成功了。{ar.AsyncState}。{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}");
    };
    asyncResult = action.BeginInvoke("btnAsyncAdvanced_Click", callback, "浪子天涯"); //第三個參數“浪子天涯”為回調傳參

    Console.WriteLine($"****************btnAsyncAdvanced_Click End   {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");
}

執行結果如下：

.NET異步和多線程系列（一）

方法2：通過asyncResult.IsCompleted屬性

為了示範此處将DoSomethingLong方法的執行時間調長一點

/// <summary>
/// 一個比較耗時耗資源的私有方法
/// </summary>
private void DoSomethingLong(string name)
{
    Console.WriteLine($"****************DoSomethingLong Start  {name}  {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");
    long lResult = 0;
    for (int i = 0; i < 1_000_000_000; i++)
    {
        lResult += i;
    }
    Thread.Sleep(2000);
    Console.WriteLine($"****************DoSomethingLong   End  {name}  {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")} {lResult}***************");
}      
/// <summary>
/// 異步進階
/// </summary>
private void btnAsyncAdvanced_Click(object sender, EventArgs e)
{
    Console.WriteLine($"****************btnAsyncAdvanced_Click Start {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");

    Action<string> action = this.DoSomethingLong;

    //1 回調：将後續動作通過回調參數傳遞進去，子線程完成計算後，去調用這個回調委托
    IAsyncResult asyncResult = null; //IAsyncResult是對異步調用操作的描述
    AsyncCallback callback = ar =>
    {
        Console.WriteLine($"{object.ReferenceEquals(ar, asyncResult)}");
        Console.WriteLine($"btnAsyncAdvanced_Click計算成功了。{ar.AsyncState}。{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}");
    };
    asyncResult = action.BeginInvoke("btnAsyncAdvanced_Click", callback, "浪子天涯"); //第三個參數“浪子天涯”為回調傳參

    //2 通過IsComplate等待，卡界面--主線程在等待，邊等待邊提示
    //（ Thread.Sleep(200);位置變了，少了一句99.9999）
    int i = 0;
    while (!asyncResult.IsCompleted)
    {
        Thread.Sleep(200); //放在這裡不合适，因為有延遲，主線程在等待過程中的子線程可能已經完成了
        if (i < 9)
        {
            Console.WriteLine($"中華民族複興完成{++i * 10}%....");
        }
        else
        {
            Console.WriteLine($"中華民族複興完成99.999999%....");
        }
        //Thread.Sleep(200); //放在這裡比較合适
    }
    Console.WriteLine("中華民族複興已完成，沉睡的東方雄獅已覺醒！");

    Console.WriteLine($"****************btnAsyncAdvanced_Click End   {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");
}

看下執行結果：

.NET異步和多線程系列（一）

此處比我們預想的多了一個“...99.999999%”，那是因為有延遲，主線程在等待過程中的子線程可能已經完成了。故需要對Thread.Sleep(200)的位置做一個調整。

/// <summary>
/// 異步進階
/// </summary>
private void btnAsyncAdvanced_Click(object sender, EventArgs e)
{
    Console.WriteLine($"****************btnAsyncAdvanced_Click Start {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");

    Action<string> action = this.DoSomethingLong;

    //1 回調：将後續動作通過回調參數傳遞進去，子線程完成計算後，去調用這個回調委托
    IAsyncResult asyncResult = null; //IAsyncResult是對異步調用操作的描述
    AsyncCallback callback = ar =>
    {
        Console.WriteLine($"{object.ReferenceEquals(ar, asyncResult)}");
        Console.WriteLine($"btnAsyncAdvanced_Click計算成功了。{ar.AsyncState}。{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")}");
    };
    asyncResult = action.BeginInvoke("btnAsyncAdvanced_Click", callback, "浪子天涯"); //第三個參數“浪子天涯”為回調傳參

    //2 通過IsComplate等待，卡界面--主線程在等待，邊等待邊提示
    //（ Thread.Sleep(200);位置變了，少了一句99.9999）
    int i = 0;
    while (!asyncResult.IsCompleted)
    {
        //Thread.Sleep(200); //放在這裡不合适，因為有延遲，主線程在等待過程中的子線程可能已經完成了
        if (i < 9)
        {
            Console.WriteLine($"中華民族複興完成{++i * 10}%....");
        }
        else
        {
            Console.WriteLine($"中華民族複興完成99.999999%....");
        }
        Thread.Sleep(200); //放在這裡比較合适
    }
    Console.WriteLine("中華民族複興已完成，沉睡的東方雄獅已覺醒！");

    Console.WriteLine($"****************btnAsyncAdvanced_Click End   {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId.ToString("00")} " +
        $"{DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff")}***************");
}

此時的執行結果就是對的了：

.NET異步和多線程系列（一）

方法3：WaitOne等待

{
    //3 WaitOne等待，即時等待 限時等待
    asyncResult.AsyncWaitHandle.WaitOne();//直接等待任務完成
    asyncResult.AsyncWaitHandle.WaitOne(-1);//一直等待任務完成
    asyncResult.AsyncWaitHandle.WaitOne(1000);//最多等待1000ms，逾時就不等了
}

方法4：EndInvoke即時等待

{
    //4 EndInvoke  即時等待，而且可以擷取委托的傳回值 一個異步操作隻能End一次
    action.EndInvoke(asyncResult); //等待某次異步調用操作結束
}      
{
    Func<int> func = () =>
    {
        Thread.Sleep(2000);
        return DateTime.Now.Hour;
    };
    int iResult = func.Invoke();
    IAsyncResult asyncResult = func.BeginInvoke(ar =>
    {
        //int iEndResultIn = func.EndInvoke(ar); //在這裡執行也是可以的，但是一個異步操作隻能EndInvoke一次
    }, null);
    int iEndResult = func.EndInvoke(asyncResult); //可以擷取委托的傳回值

    Console.WriteLine($"iResult:{iResult}--iEndResult:{iEndResult}");
}

Demo源碼：

連結：https://pan.baidu.com/s/1qCXi1HsgBv_uFROIMfFYsw 
提取碼：1nb4

本文概念部分參考博文：https://www.cnblogs.com/qianqiannian/p/7010909.html

此文由部落客精心撰寫轉載請保留此原文連結：https://www.cnblogs.com/xyh9039/p/13543651.html　　　 

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異步和多線程
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