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C#多線程程式設計（一）程序與線程

一、 程序

        簡單來說，程序是對資源的抽象，是資源的容器，在傳統作業系統中，程序是資源配置設定的基本機關，而且是執行的基本機關，程序支援并發執行，因為每個程序有獨立的資料，獨立的堆棧空間。一個程式想要并發執行，開多個程序即可。
Q1：在單核下，程序之間如何同時執行？
        首先要區分兩個概念——并發和并行
  • 并發：并發是指在一段微小的時間段中，有多個程式代碼段被CPU執行，宏觀上表現出來就是多個程式能”同時“執行。
  • 并行：并行是指在一個時間點，有多個程式段代碼被CPU執行，它才是真正的同時執行。
        是以應該說程序之間是并發執行。對于CPU來講，它不知道程序的存在，CPU主要與寄存器打交道。有一些常用的寄存器，如程式計數器寄存器，這個寄存器存儲了将要執行的指令的位址，這個寄存器的位址指向哪，CPU就去哪。還有一些堆棧寄存器和通用寄存器等等等，總之，這些資料構成了一個程式的執行環境，這個執行環境就叫做”上下文（Context）“，程序之間切換本質就是儲存這些資料到記憶體，術語叫做”儲存現場“，然後恢複某個程序的執行環境，也即是”恢複現場“，整個過程術語叫做“上下文切換”，具體點就是程序上下文切換，這就是程序之間能并發執行的本質——頻繁的切換程序上下文。這個功能是由作業系統提供的，是核心态的，對應用軟體開發人員透明。

二、 線程

        程序雖然支援并發，但是對并發不是很友好，不友好是指每開啟一個程序，都要重新配置設定一部分資源，而線程相對程序來說，建立線程的代價比建立程序要小，是以引入線程能更好的提高并發性。在現代作業系統中，程序變成了資源配置設定的基本機關，而線程變成了執行的基本機關，每個線程都有獨立的堆棧空間，同一個程序的所有線程共享代碼段和位址空間等共享資源。相應的上下文切換從程序上下文切換變成了線程上下文切換。

三、 為什麼要引入程序和線程

  1. 提高CPU使用率，在早期的單道批處理系統中，如果執行中的代碼需要依賴與外部條件，将會導緻CPU空閑，例如檔案讀取，等待鍵盤信号輸入，這将浪費大量的CPU時間。引入多程序和線程可以解決CPU使用率低這個問題。
  2. 隔離程式之間的資料（每個程序都有單獨的位址空間），保證系統運作的穩定性。
  3. 提高系統的響應性和互動能力。

四、 在C#中建立托管線程

1. Thread類

在.NET中，托管線程分為：
  • 前台線程
  • 背景線程

一個.Net程式中，至少要有一個前台線程，所有前台線程結束了，所有的背景線程将會被公共語言運作時（CLR）強制銷毀，程式執行結束。

如下将在控制台程式中建立一個背景線程

C#多線程程式設計（一）程式與線程
C#多線程程式設計（一）程式與線程
1 static void Main(string[] args)
 2 {
 3      var t = new Thread(() =>
 4      {
 5          Thread.Sleep(1000);
 6          Console.WriteLine("執行完畢");
 7      });
 8     t.IsBackground = true;
 9      t.Start();
10 }

View Code

C#多線程程式設計（一）程式與線程
主線程（預設是前台線程）執行完畢，程式直接退出。
C#多線程程式設計（一）程式與線程
但IsBackground 屬性改為false時，控制台會列印“執行完畢”。

2. 有什麼問題

直接使用Thread類來進行多線程程式設計浪費資源（伺服器端更加明顯）且不友善，舉個栗子。
假如我寫一個Web伺服器程式，每個請求建立一個線程，那麼每一次我都要new一個Thread對象，然後傳入處理HttpRequest的委托，處理完之後，線程将會被銷毀，這将會導緻浪費大量CPU時間和記憶體，在早期CPU性能不行和記憶體資源珍貴的情況下這個缺點會被放大，在現在這個缺點不是很明顯，原因是硬體上來了。
不友善展現在哪呢？
  • 無法直接擷取另一個線程内未被捕捉的異常
  • 無法直接擷取線程函數的傳回值
C#多線程程式設計（一）程式與線程
C#多線程程式設計（一）程式與線程
1 public static void ThrowException()
 2 {
 3      throw new Exception("發生異常");
 4 }
 5 static void Main(string[] args)
 6 {
 7      var t = new Thread(() =>
 8      {
 9          Thread.Sleep(1000);
10          ThrowException();
11      });
12     t.IsBackground = false;
13      try
14      {
15          t.Start();
16      }
17      catch(Exception e)
18      {
19          Console.WriteLine(e.Message);
20      }
21 }

View Code

上述代碼将會導緻程式奔潰，如下圖。
C#多線程程式設計（一）程式與線程

要想直接擷取傳回值和可以直接從主線程捕捉線程函數内未捕捉的異常，我們可以這麼做。

建立一個MyTask.cs檔案，内容如下

C#多線程程式設計（一）程式與線程
C#多線程程式設計（一）程式與線程
1 using System;
 2 using System.Threading;
 3 namespace ConsoleApp1
 4 {
 5      public class MyTask
 6      {
 7          private Thread _thread;
 8          private Action _action;
 9          private Exception _innerException;
10         public MyTask()
11          {
12         }
13          public MyTask(Action action)
14          {
15              _action = action;
16          }
17          protected virtual void Excute()
18          {
19              try
20              {
21                  _action();
22              }
23              catch(Exception e)
24              {
25                  _innerException = e;
26              }
27       
28          }
29          public void Start()
30          {
31              if (_thread != null) throw new InvalidOperationException("任務已經開始");
32              _thread = new Thread(() => Excute());
33              _thread.Start();
34          }
35          public void Start(Action action)
36          {
37              _action = action;
38              if (_thread != null) throw new InvalidOperationException("任務已經開始");
39              _thread = new Thread(() => Excute());
40              _thread.Start();
41          }
42         public void Wait()
43          {
44              _thread.Join();
45              if (_innerException != null) throw _innerException;
46          }
47      }
48     public class MyTask<T> : MyTask
49      {
50          private Func<T> _func { get; }
51          private T _result;
52          public T Result {
53              
54              private set => _result = value;
55              get 
56              {
57                  base.Wait();
58                  return _result;
59              }
60          }
61          public MyTask(Func<T> func)
62          {
63              _func = func;
64          }
65         public new void Start() 
66          {
67              base.Start(() =>
68              {
69                  Result = _func();
70              });
71          }
72     }
73 }

View Code

簡單的包裝了一下（不要在意細節），我們便可以實作我們想要的效果。

測試代碼如下

1 public static void ThrowException()
 2 {
 3      throw new Exception("發生異常");
 4 }
 5 public static void Test3()
 6 {
 7      MyTask<string> myTask = new MyTask<string>(() =>
 8      {
 9          Thread.Sleep(1000);
10          return "執行完畢";
11      });
12     myTask.Start();
13     try
14      {
15          Console.WriteLine(myTask.Result);
16      }
17      catch (Exception e)
18      {
19          Console.WriteLine(e.Message);
20      }
21 }
22 public static void Test2()
23 {
24      MyTask<string> myTask = new MyTask<string>(() =>
25      {
26          Thread.Sleep(1000);
27          ThrowException();
28          return "執行完畢";
29      });
30     myTask.Start();
31     try
32      {
33          Console.WriteLine(myTask.Result);
34      }
35      catch(Exception e)
36      {
37          Console.WriteLine(e.Message);
38      }
39 }
40 public static void Test1()
41 {
42      MyTask myTask = new MyTask(() =>
43      {
44          Thread.Sleep(1000);
45          ThrowException();
46      });
47      myTask.Start();
48     try
49      {
50          myTask.Wait();
51      }
52      catch (Exception e)
53      {
54          Console.WriteLine(e.Message);
55      }
56 }
57 static void Main(string[] args)
58 {
59      Test1();
60      Test2();
61      Test3();
62 }
C#多線程程式設計（一）程式與線程
可以看到，我們可以通過簡單包裝Thread對象，便可實作如下效果
  • 直接讀取線程函數傳回值
  • 直接捕捉線程函數未捕捉的異常（前提是調用了Wait()函數或者Result屬性）
這是了解和運用Task的基礎，Task功能非常完善，但是運用好Task需要掌握許多概念，下面再說。
C#多線程程式設計
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