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C#多線程系列之線程池

 更新時間:2022年02月14日 09:22:26   作者:癡者工良  
本文詳細講解了C#多線程中的線程池,文中通過示例代碼介紹的非常詳細。對大家的學習或工作具有一定的參考借鑒價值,需要的朋友可以參考下

線程池

線程池全稱為托管線程池,線程池受 .NET 通用語言運行時(CLR)管理,線程的生命周期由 CLR 處理,因此我們可以專注于實現(xiàn)任務,而不需要理會線程管理。

線程池的應用場景:任務并行庫 (TPL)操作、異步 I/O 完成、計時器回調(diào)、注冊的等待操作、使用委托的異步方法調(diào)用和套接字連接。

很多人不清楚 Task、Task<TResult> 原理,原因是沒有好好了解線程池。

ThreadPool 常用屬性和方法

屬性:

屬性說明
CompletedWorkItemCount獲取迄今為止已處理的工作項數(shù)。
PendingWorkItemCount獲取當前已加入處理隊列的工作項數(shù)。
ThreadCount獲取當前存在的線程池線程數(shù)。

方法:

方法說明
BindHandle(IntPtr)將操作系統(tǒng)句柄綁定到 ThreadPool。
BindHandle(SafeHandle)將操作系統(tǒng)句柄綁定到 ThreadPool。
GetAvailableThreads(Int32, Int32)檢索由 GetMaxThreads(Int32, Int32) 方法返回的最大線程池線程數(shù)和當前活動線程數(shù)之間的差值。
GetMaxThreads(Int32, Int32)檢索可以同時處于活動狀態(tài)的線程池請求的數(shù)目。 所有大于此數(shù)目的請求將保持排隊狀態(tài),直到線程池線程變?yōu)榭捎谩?/td>
GetMinThreads(Int32, Int32)發(fā)出新的請求時,在切換到管理線程創(chuàng)建和銷毀的算法之前檢索線程池按需創(chuàng)建的線程的最小數(shù)量。
QueueUserWorkItem(WaitCallback)將方法排入隊列以便執(zhí)行。 此方法在有線程池線程變得可用時執(zhí)行。
QueueUserWorkItem(WaitCallback, Object)將方法排入隊列以便執(zhí)行,并指定包含該方法所用數(shù)據(jù)的對象。 此方法在有線程池線程變得可用時執(zhí)行。
QueueUserWorkItem(Action, TState, Boolean)將 Action 委托指定的方法排入隊列以便執(zhí)行,并提供該方法使用的數(shù)據(jù)。 此方法在有線程池線程變得可用時執(zhí)行。
RegisterWaitForSingleObject(WaitHandle, WaitOrTimerCallback, Object, Int32, Boolean)注冊一個等待 WaitHandle 的委托,并指定一個 32 位有符號整數(shù)來表示超時值(以毫秒為單位)。
SetMaxThreads(Int32, Int32)設置可以同時處于活動狀態(tài)的線程池的請求數(shù)目。 所有大于此數(shù)目的請求將保持排隊狀態(tài),直到線程池線程變?yōu)榭捎谩?/td>
SetMinThreads(Int32, Int32)發(fā)出新的請求時,在切換到管理線程創(chuàng)建和銷毀的算法之前設置線程池按需創(chuàng)建的線程的最小數(shù)量。
UnsafeQueueNativeOverlapped(NativeOverlapped)將重疊的 I/O 操作排隊以便執(zhí)行。
UnsafeQueueUserWorkItem(IThreadPoolWorkItem, Boolean)將指定的工作項對象排隊到線程池。
UnsafeQueueUserWorkItem(WaitCallback, Object)將指定的委托排隊到線程池,但不會將調(diào)用堆棧傳播到輔助線程。
UnsafeRegisterWaitForSingleObject(WaitHandle, WaitOrTimerCallback, Object, Int32, Boolean)注冊一個等待 WaitHandle 的委托,并使用一個 32 位帶符號整數(shù)來表示超時時間(以毫秒為單位)。 此方法不將調(diào)用堆棧傳播到輔助線程。

線程池說明和示例

通過 System.Threading.ThreadPool 類,我們可以使用線程池。

ThreadPool 類是靜態(tài)類,它提供一個線程池,該線程池可用于執(zhí)行任務、發(fā)送工作項、處理異步 I/O、代表其他線程等待以及處理計時器。

理論的東西這里不會說太多,你可以參考官方文檔地址:https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.threadpool?view=netcore-3.1

ThreadPool 有一個 QueueUserWorkItem() 方法,該方法接受一個代表用戶異步操作的委托(名為 WaitCallback ),調(diào)用此方法傳入委托后,就會進入線程池內(nèi)部隊列中。

WaitCallback 委托的定義如下:

public delegate void WaitCallback(object state);

現(xiàn)在我們來寫一個簡單的線程池示例,再扯淡一下。

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ThreadPool.QueueUserWorkItem(MyAction);

            ThreadPool.QueueUserWorkItem(state =>
            {
                Console.WriteLine("任務已被執(zhí)行2");
            });
            Console.ReadKey();
        }
        // state 表示要傳遞的參數(shù)信息,這里為 null
        private static void MyAction(Object state)
        {
            Console.WriteLine("任務已被執(zhí)行1");
        }
    }

十分簡單對不對~

這里有幾個要點:

  • 不要將長時間運行的操作放進線程池中;
  • 不應該阻塞線程池中的線程;
  • 線程池中的線程都是后臺線程(又稱工作者線程);

另外,這里一定要記住 WaitCallback 這個委托。

我們觀察創(chuàng)建線程需要的時間:

        static void Main()
        {
            Stopwatch watch = new Stopwatch();
            watch.Start();
            for (int i = 0; i < 10; i++)
                new Thread(() => { }).Start();
            watch.Stop();
            Console.WriteLine("創(chuàng)建 10 個線程需要花費時間(毫秒):" + watch.ElapsedMilliseconds);
            Console.ReadKey();
        }

筆者電腦測試結果大約 160。

線程池線程數(shù)

線程池中的 SetMinThreads()和 SetMaxThreads() 可以設置線程池工作的最小和最大線程數(shù)。其定義分別如下:

// 設置線程池最小工作線程數(shù)線程
public static bool SetMinThreads (int workerThreads, int completionPortThreads);
// 獲取
public static void GetMinThreads (out int workerThreads, out int completionPortThreads);

workerThreads:要由線程池根據(jù)需要創(chuàng)建的新的最小工作程序線程數(shù)。

completionPortThreads:要由線程池根據(jù)需要創(chuàng)建的新的最小空閑異步 I/O 線程數(shù)。

SetMinThreads() 的返回值代表是否設置成功。

// 設置線程池最大工作線程數(shù)
public static bool SetMaxThreads (int workerThreads, int completionPortThreads);
// 獲取
public static void GetMaxThreads (out int workerThreads, out int completionPortThreads);

workerThreads:線程池中輔助線程的最大數(shù)目。

completionPortThreads:線程池中異步 I/O 線程的最大數(shù)目。

SetMaxThreads() 的返回值代表是否設置成功。

這里就不給出示例了,不過我們也看到了上面出現(xiàn) 異步 I/O 線程 這個關鍵詞,下面會學習到相關知識。

線程池線程數(shù)說明

關于最大最小線程數(shù),這里有一些知識需要說明。在此前,我們來寫一個示例:

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            // 不斷加入任務
            for (int i = 0; i < 8; i++)
                ThreadPool.QueueUserWorkItem(state =>
                {
                    Thread.Sleep(100);
                    Console.WriteLine("");
                });
            for (int i = 0; i < 8; i++)
                ThreadPool.QueueUserWorkItem(state =>
                {
                    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
                    Console.WriteLine("");
                });

            Console.WriteLine("     此計算機處理器數(shù)量:" + Environment.ProcessorCount);

            // 工作項、任務代表同一個意思
            Console.WriteLine("     當前線程池存在線程數(shù):" + ThreadPool.ThreadCount);
            Console.WriteLine("     當前已處理的工作項數(shù):" + ThreadPool.CompletedWorkItemCount);
            Console.WriteLine("     當前已加入處理隊列的工作項數(shù):" + ThreadPool.PendingWorkItemCount);
            int count;
            int ioCount;
            ThreadPool.GetMinThreads(out count, out ioCount);
            Console.WriteLine($"     默認最小輔助線程數(shù):{count},默認最小異步IO線程數(shù):{ioCount}");

            ThreadPool.GetMaxThreads(out count, out ioCount);
            Console.WriteLine($"     默認最大輔助線程數(shù):{count},默認最大異步IO線程數(shù):{ioCount}");
            Console.ReadKey();
        }
    }

運行后,筆者電腦輸出結果(我們的運行結果可能不一樣):

     此計算機處理器數(shù)量:8
     當前線程池存在線程數(shù):8
     當前已處理的工作項數(shù):2
     當前已加入處理隊列的工作項數(shù):8
     默認最小輔助線程數(shù):8,默認最小異步IO線程數(shù):8
     默認最大輔助線程數(shù):32767,默認最大異步IO線程數(shù):1000

我們結合運行結果,來了解一些知識點。

線程池最小線程數(shù),默認是當前計算機處理器數(shù)量。另外我們也看到了。當前線程池存在線程數(shù)為 8 ,因為線程池創(chuàng)建后,無論有沒有任務,都有 8 個線程存活。

如果將線程池最小數(shù)設置得過大(SetMinThreads()),會導致任務切換開銷變大,消耗更多得性能資源。

如果設置得最小值小于處理器數(shù)量,則也可能會影響性能。

Environment.ProcessorCount 可以確定當前計算機上有多少個處理器數(shù)量(例如CPU是四核八線程,結果就是八)。

SetMaxThreads() 設置的最大工作線程數(shù)或 I/O 線程數(shù),不能小于 SetMinThreads() 設置的最小工作線程數(shù)或 I/O 線程數(shù)。

設置線程數(shù)過大,會導致任務切換開銷變大,消耗更多得性能資源。

如果加入的任務大于設置的最大線程數(shù),那么將會進入等待隊列。

不能將工作線程或 I/O 完成線程的最大數(shù)目設置為小于計算機上的處理器數(shù)。

不支持的線程池異步委托

扯淡了這么久,我們從設置線程數(shù)中,發(fā)現(xiàn)有個 I/O 異步線程數(shù),這個線程數(shù)限制的是執(zhí)行異步委托的線程數(shù)量,這正是本節(jié)要介紹的。

異步編程模型(Asynchronous Programming Model,簡稱 APM),在日常擼碼中,我們可以使用 async、await 和Task 一把梭了事。

.NET Core 不再使用 BeginInvoke 這種模式。你可以跟著筆者一起踩坑先。

筆者在看書的時候,寫了這個示例:

很多地方也在使用這種形式的示例,但是在 .NET Core 中用不了,只能在 .NET Fx 使用。。。

    class Program
    {
        private delegate string MyAsyncDelete(out int thisThreadId);
        static void Main(string[] args)
        {
            int threadId;
            // 不是異步調(diào)用
            MyMethodAsync(out threadId);

            // 創(chuàng)建自定義的委托
            MyAsyncDelete myAsync = MyMethodAsync;

            // 初始化異步的委托
            IAsyncResult result = myAsync.BeginInvoke(out threadId, null, null);

            // 當前線程等待異步完成任務,也可以去掉
            result.AsyncWaitHandle.WaitOne();
            Console.WriteLine("異步執(zhí)行");

            // 檢索異步執(zhí)行結果
            string returnValue = myAsync.EndInvoke(out threadId, result);

            // 關閉
            result.AsyncWaitHandle.Close();

            Console.WriteLine("異步處理結果:" + returnValue);
        }
        private static string MyMethodAsync(out int threadId)
        {
            // 獲取當前線程在托管線程池的唯一標識
            threadId = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;
            // 模擬工作請求
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(new Random().Next(1, 5)));
            // 返回工作完成結果
            return "喜歡我的讀者可以關注筆者的博客歐~";
        }
    }

目前百度到的很多文章也是 .NET FX 時代的代碼了,要注意 C# 在版本迭代中,對異步這些 API ,做了很多修改,不要看別人的文章,學完后才發(fā)現(xiàn)不能在 .NET Core 中使用(例如我... ...),浪費時間。

上面這個代碼示例,也從側面說明了,以往 .NET Fx (C# 5.0 以前)中使用異步是很麻煩的。

.NET Core 是不支持異步委托的,具體可以看 https://github.com/dotnet/runtime/issues/16312

官網(wǎng)文檔明明說支持的https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.iasyncresult?view=netcore-3.1#examples,而且示例也是這樣,搞了這么久,居然不行,我等下一刀過去。

關于為什么不支持,可以看這里:https://devblogs.microsoft.com/dotnet/migrating-delegate-begininvoke-calls-for-net-core/

不支持就算了,我們跳過,后面學習異步時再仔細討論。

任務取消功能

這個取消跟線程池池無關。

CancellationToken:傳播有關應取消操作的通知。

CancellationTokenSource:向應該被取消的 CancellationToken 發(fā)送信號。

兩者關系如下:

        CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
        CancellationToken token = cts.Token;

這個取消,在于信號的發(fā)生和信號的捕獲,任務的取消不是實時的。

示例代碼如下:

CancellationTokenSource 實例化一個取消標記,然后傳遞 CancellationToken 進去;

被啟動的線程,每個階段都判斷 .IsCancellationRequested,然后確定是否停止運行。這取決于線程的自覺性。

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();

            Console.WriteLine("按下回車鍵,將取消任務");

            new Thread(() => { CanceTask(cts.Token); }).Start();
            new Thread(() => { CanceTask(cts.Token); }).Start();

            Console.ReadKey();
            
            // 取消執(zhí)行
            cts.Cancel();
            Console.WriteLine("完成");
            Console.ReadKey();
        }

        private static void CanceTask(CancellationToken token)
        {
            Console.WriteLine("第一階段");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            if (token.IsCancellationRequested)
                return;

            Console.WriteLine("第二階段");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            if (token.IsCancellationRequested)
                return;

            Console.WriteLine("第三階段");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            if (token.IsCancellationRequested)
                return;

            Console.WriteLine("第四階段");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            if (token.IsCancellationRequested)
                return;

            Console.WriteLine("第五階段");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            if (token.IsCancellationRequested)
                return;
        }
    }

這個取消標記,在前面的很多同步方式中,都用的上。

計時器

常用的定時器有兩種,分別是:System.Timers.Timer 和 System.Thread.Timer。

System.Threading.Timer是一個普通的計時器,它是線程池中的線程中。

System.Timers.Timer包裝了System.Threading.Timer,并提供了一些用于在特定線程上分派的其他功能。

什么線程安全不安全。。。俺不懂這個。。。不過你可以參考https://stackoverflow.com/questions/19577296/thread-safety-of-system-timers-timer-vs-system-threading-timer

如果你想認真區(qū)分兩者的關系,可以查看:https://web.archive.org/web/20150329101415/https://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc164015.aspx

兩者主要使用區(qū)別:

  • System.Timers.Timer,它會定期觸發(fā)一個事件并在一個或多個事件接收器中執(zhí)行代碼。
  • System.Threading.Timer,它定期在線程池線程上執(zhí)行一個回調(diào)方法。

大多數(shù)情況下使用 System.Threading.Timer,因為它比較“輕”,另外就是 .NET Core 1.0 時,System.Timers.Timer 被取消了,NET Core 2.0 時又回來了。主要是為了 .NET FX 和 .NET Core 遷移方便,才加上去的。所以,你懂我的意思吧。

System.Threading.Timer 其中一個構造函數(shù)定義如下:

public Timer (System.Threading.TimerCallback callback, object state, uint dueTime, uint period);

callback:要定時執(zhí)行的方法;

state:要傳遞給線程的信息(參數(shù));

dueTime:延遲時間,避免一創(chuàng)建計時器,馬上開始執(zhí)行方法;

period:設置定時執(zhí)行方法的時間間隔;

計時器示例:

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            Timer timer = new Timer(TimeTask,null,100,1000);
            
            Console.ReadKey();
        }

        // public delegate void TimerCallback(object? state);
        private static void TimeTask(object state)
        {
            Console.WriteLine("www.whuanle.cn");
        }
    }

Timer 有不少方法,但不常用,可以查看官方文檔:https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.timer?view=netcore-3.1#methods

到此這篇關于C#多線程系列之線程池的文章就介紹到這了。希望對大家的學習有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。

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