[C# 线程处理系列]专题二：线程池中的工作者线程

2018-09-14 本文已影响1人此十八

一、上节补充

二、CLR线程池基础

三、通过线程池的工作者线程实现异步

四、使用委托实现异步

五、任务

一、上节补充

对于Thread类还有几个常用方法需要说明的。

1.1 Suspend和Resume方法

这两个方法在.net Framework 1.0的时候就支持的方法，他们分别可以挂起线程和恢复挂起的线程。但在.net Framework 2.0以后的版本中这两个方法都过时了，MSDN的解释是这样：

警告：

不要使用 Suspend 和 Resume 方法来同步线程的活动。您无法知道挂起线程时它正在执行什么代码。如果您在安全权限评估期间挂起持有锁的线程，则 AppDomain中的其他线程可能被阻止。如果您在线程正在执行类构造函数时挂起它，则 AppDomain中尝试使用该类的其他线程将被阻止。这样很容易发生死锁。

对于这个解释可能有点抽象吧，让我们来看看一段代码可能会清晰点：

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            // 创建一个线程来测试
            Thread thread1 = new Thread(TestMethod);      
            thread1.Name = "Thread1";   
            thread1.Start();    
            Thread.Sleep(2000);
            Console.WriteLine("Main Thread is running");
            ////int b = 0;
            ////int a = 3 / b;
            ////Console.WriteLine(a);
            thread1.Resume();     
            Console.Read();
        }

        private static void TestMethod()
        {     
            Console.WriteLine("Thread: {0} has been suspended!", Thread.CurrentThread.Name);
      
            //将当前线程挂起
            Thread.CurrentThread.Suspend();          
            Console.WriteLine("Thread: {0} has been resumed!", Thread.CurrentThread.Name);
        }
    }

在上面这段代码中thread1线程是在主线程中恢复的，但当主线程发生异常时，这时候就thread1一直处于挂起状态，此时thread1所使用的资源就不能释放（除非强制终止进程），当另外线程需要使用这快资源的时候，这时候就很可能发生死锁现象。

上面一段代码还存在一个隐患，请看下面一小段代码：

class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            // 创建一个线程来测试
            Thread thread1 = new Thread(TestMethod);      
            thread1.Name = "Thread1";   
            thread1.Start();
            Console.WriteLine("Main Thread is running");
            thread1.Resume();     
            Console.Read();
        }

        private static void TestMethod()
        {     
            Console.WriteLine("Thread: {0} has been suspended!", Thread.CurrentThread.Name);
            Thread.Sleep(1000);

            //将当前线程挂起
            Thread.CurrentThread.Suspend();          
            Console.WriteLine("Thread: {0} has been resumed!", Thread.CurrentThread.Name);
        }
    }

当主线程跑（运行）的太快,做完自己的事情去唤醒thread1时，此时thread1还没有挂起而起唤醒thread1,此时就会出现异常了。并且上面使用的Suspend和Resume方法，编译器已经出现警告了，提示这两个方法已经过时，所以在我们平时使用中应该尽量避免。

1.2 Abort和 Interrupt方法

Abort方法和Interrupt都是用来终止线程的，但是两者还是有区别的。

1、他们抛出的异常不一样，Abort 方法抛出的异常是ThreadAbortException， Interrupt抛出的异常为ThreadInterruptedException

2、调用interrupt方法的线程之后可以被唤醒，然而调用Abort方法的线程就直接被终止不能被唤醒的。

下面一段代码是掩饰Abort方法的使用

using System;
using System.Threading;

namespace ConsoleApplication1
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Thread abortThread = new Thread(AbortMethod);
            abortThread.Name = "Abort Thread";
            abortThread.Start();
            Thread.Sleep(1000);
            try
            {
                abortThread.Abort();     
            }
            catch 
            {
                Console.WriteLine("{0} Exception happen in Main Thread", Thread.CurrentThread.Name);
                Console.WriteLine("{0} Status is:{1} In Main Thread ", Thread.CurrentThread.Name, Thread.CurrentThread.ThreadState);
            }
            finally
            {
                Console.WriteLine("{0} Status is:{1} In Main Thread ", abortThread.Name, abortThread.ThreadState);
            }

            abortThread.Join();
            Console.WriteLine("{0} Status is:{1} ", abortThread.Name, abortThread.ThreadState);
            Console.Read();
           
        }

        private static void AbortMethod()
        {
            try
            {
                Thread.Sleep(5000);
            }
            catch(Exception e)
            {
                Console.WriteLine(e.GetType().Name);
                Console.WriteLine("{0} Exception happen In Abort Thread", Thread.CurrentThread.Name);
                Console.WriteLine("{0} Status is:{1} In Abort Thread ", Thread.CurrentThread.Name, Thread.CurrentThread.ThreadState);
            }
            finally
            {
                Console.WriteLine("{0} Status is:{1} In Abort Thread", Thread.CurrentThread.Name, Thread.CurrentThread.ThreadState);
            }
        }
    }

运行结果：

image

从运行结果可以看出，调用Abort方法的线程引发的异常类型为ThreadAbortException, 以及异常只会在调用Abort方法的线程中发生，而不会在主线程中抛出，并且调用Abort方法后线程的状态不是立即改变为Aborted状态，而是从AbortRequested->Aborted。

Interrupt方法：

using System;
using System.Threading;

namespace ConsoleApplication1
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        { Thread interruptThread = new Thread(AbortMethod);
            interruptThread.Name = "Interrupt Thread";
            interruptThread.Start();  
            interruptThread.Interrupt();     
           
            interruptThread.Join();
            Console.WriteLine("{0} Status is:{1} ", interruptThread.Name, interruptThread.ThreadState);
            Console.Read();     
        }

        private static void AbortMethod()
        {
            try
            {
                Thread.Sleep(5000);
            }
            catch(Exception e)
            {
                Console.WriteLine(e.GetType().Name);
                Console.WriteLine("{0} Exception happen In Interrupt Thread", Thread.CurrentThread.Name);
                Console.WriteLine("{0} Status is:{1} In Interrupt Thread ", Thread.CurrentThread.Name, Thread.CurrentThread.ThreadState);
            }
            finally
            {
                Console.WriteLine("{0} Status is:{1} In Interrupt Thread", Thread.CurrentThread.Name, Thread.CurrentThread.ThreadState);
            }

        }
    }
}

运行结果：

image

从结果中可以得到，调用Interrupt方法抛出的异常为：ThreadInterruptException, 以及当调用Interrupt方法后线程的状态应该是中断的，但是从运行结果看此时的线程因为了Join,Sleep方法而唤醒了线程，为了进一步解释调用Interrupt方法的线程可以被唤醒，我们可以在线程执行的方法中运用循环，如果线程可以唤醒，则输出结果中就一定会有循环的部分，然而调用Abort方法线程就直接终止，就不会有循环的部分，下面代码相信大家看后肯定会更加理解两个方法的区别的：

using System;
using System.Threading;

namespace ConsoleApplication2
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Thread thread1 = new Thread(TestMethod);
            thread1.Start();
            Thread.Sleep(100);

            thread1.Interrupt();
            Thread.Sleep(3000);
            Console.WriteLine("after finnally block, the Thread1 status is:{0}", thread1.ThreadState);
            Console.Read();
        }
        private static void TestMethod()
        {
            
            for (int i = 0; i < 4; i++)
            {
                try
                {
                    Thread.Sleep(2000);
                    Console.WriteLine("Thread is Running");
                }
                catch (Exception e)
                {
                    if (e != null)
                    {
                        Console.WriteLine("Exception {0} throw ", e.GetType().Name);
                    }
                }
                finally
                {
                    Console.WriteLine("Current Thread status is:{0} ", Thread.CurrentThread.ThreadState);
                }
            }
        }
    }
}

运行结果为：

image

如果把上面的 thread1.Interrupt();改为 thread1.Abort(); 运行结果为：

image

二、线程池基础

首先，创建和销毁线程是一个要耗费大量时间的过程，另外，太多的线程也会浪费内存资源，所以通过Thread类来创建过多的线程反而有损于性能，为了改善这样的问题，.net中就引入了线程池。

线程池形象的表示就是存放应用程序中使用的线程的一个集合（就是放线程的地方，这样线程都放在一个地方就好管理了）。CLR初始化时，线程池中是没有线程的，在内部，线程池维护了一个操作请求队列，当应用程序想执行一个异步操作时，就调用一个方法，就将一个任务放到线程池的队列中，线程池中代码从队列中提取任务，将这个任务委派给一个线程池线程去执行，当线程池线程完成任务时，线程不会被销毁，而是返回到线程池中，等待响应另一个请求。由于线程不被销毁，这样就可以避免因为创建线程所产生的性能损失。

注意：通过线程池创建的线程默认为后台线程，优先级默认为Normal.

三、通过线程池的工作者线程实现异步

3.1 创建工作者线程的方法

public static bool QueueUserWorkItem (WaitCallback callBack);

public static bool QueueUserWorkItem(WaitCallback callback, Object state);

这两个方法向线程池的队列添加一个工作项（work item）以及一个可选的状态数据。然后，这两个方法就会立即返回。

工作项其实就是由callback参数标识的一个方法，该方法将由线程池线程执行。同时写的回调方法必须匹配System.Threading.WaitCallback委托类型，定义为：

public delegate void WaitCallback(Object state);

下面演示如何通过线程池线程来实现异步调用：

using System;
using System.Threading;

namespace ThreadPoolUse
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            // 设置线程池中处于活动的线程的最大数目
            // 设置线程池中工作者线程数量为1000，I/O线程数量为1000
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            Console.WriteLine("Main Thread: queue an asynchronous method");
            PrintMessage("Main Thread Start");

            // 把工作项添加到队列中，此时线程池会用工作者线程去执行回调方法
            ThreadPool.QueueUserWorkItem(asyncMethod);
            Console.Read();
        }

        // 方法必须匹配WaitCallback委托
        private static void asyncMethod(object state)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            PrintMessage("Asynchoronous Method");
            Console.WriteLine("Asynchoronous thread has worked ");
        }

        // 打印线程池信息
        private static void PrintMessage(String data)
        {
            int workthreadnumber;
            int iothreadnumber;

            // 获得线程池中可用的线程，把获得的可用工作者线程数量赋给workthreadnumber变量
            // 获得的可用I/O线程数量给iothreadnumber变量
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out workthreadnumber, out iothreadnumber);

            Console.WriteLine("{0}\n CurrentThreadId is {1}\n CurrentThread is background :{2}\n WorkerThreadNumber is:{3}\n IOThreadNumbers is: {4}\n",
                data,
                Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, 
                Thread.CurrentThread.IsBackground.ToString(),
                workthreadnumber.ToString(),
                iothreadnumber.ToString());
        }
    }
}

运行结果：

image

从结果中可以看出，线程池中的可用的工作者线程少了一个，用去执行回调方法了。

ThreadPool.QueueUserWorkItem(WaitCallback callback,Object state) 方法可以把object对象作为参数传送到回调函数中,使用和ThreadPool.QueueUserWorkItem(WaitCallback callback)的使用和类似，这里就不列出了。

3.2 协作式取消

.net Framework提供了取消操作的模式，这个模式是协作式的。为了取消一个操作，首先必须创建一个System.Threading.CancellationTokenSource对象。

下面代码演示了协作式取消的使用，主要实现当用户在控制台敲下回车键后就停止数数方法。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;

namespace ConsoleApplication3
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            Console.WriteLine("Main thread run");    
            PrintMessage("Start");
            Run();
            Console.ReadKey();
        }

        private static void Run()
        {
            CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();

            // 这里用Lambda表达式的方式和使用委托的效果一样的，只是用了Lambda后可以少定义一个方法。
            // 这在这里就是让大家明白怎么lambda表达式如何由委托转变的
            ////ThreadPool.QueueUserWorkItem(o => Count(cts.Token, 1000));

            ThreadPool.QueueUserWorkItem(callback, cts.Token);

            Console.WriteLine("Press Enter key to cancel the operation\n");
            Console.ReadLine();

            // 传达取消请求
            cts.Cancel();
        }
        
        private static void callback(object state)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            PrintMessage("Asynchoronous Method Start");
            CancellationToken token =(CancellationToken)state;    
            Count(token, 1000);
        }

        // 执行的操作，当受到取消请求时停止数数
        private static void Count(CancellationToken token,int countto)
        {
            for (int i = 0; i < countto; i++)
            {
                if (token.IsCancellationRequested)
                {
                    Console.WriteLine("Count is canceled");
                    break;
                }

                Console.WriteLine(i);
                Thread.Sleep(300);
            }
            
            Console.WriteLine("Cout has done");       
        }

        // 打印线程池信息
        private static void PrintMessage(String data)
        {
            int workthreadnumber;
            int iothreadnumber;

            // 获得线程池中可用的线程，把获得的可用工作者线程数量赋给workthreadnumber变量
            // 获得的可用I/O线程数量给iothreadnumber变量
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out workthreadnumber, out iothreadnumber);

            Console.WriteLine("{0}\n CurrentThreadId is {1}\n CurrentThread is background :{2}\n WorkerThreadNumber is:{3}\n IOThreadNumbers is: {4}\n",
                data,
                Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
                Thread.CurrentThread.IsBackground.ToString(),
                workthreadnumber.ToString(),
                iothreadnumber.ToString());
        }
    }
}

运行结果：

image

四、使用委托实现异步

通过调用ThreadPool的QueueUserWorkItem方法来来启动工作者线程非常方便，但委托WaitCallback指向的是带有一个参数的无返回值的方法，如果我们实际操作中需要有返回值，或者需要带有多个参数，这时通过这样的方式就难以实现，为了解决这样的问题，我们可以通过委托来建立工作这线程，

下面代码演示了使用委托如何实现异步：

using System;
using System.Threading;

namespace Delegate
{
    class Program
    {
        // 使用委托的实现的方式是使用了异步变成模型APM（Asynchronous Programming Model）
        // 自定义委托
        private delegate string MyTestdelegate();

        static void Main(string[] args)
        {
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            PrintMessage("Main Thread Start");

            //实例化委托
            MyTestdelegate testdelegate = new MyTestdelegate(asyncMethod);

            // 异步调用委托
            IAsyncResult result = testdelegate.BeginInvoke(null, null);

            // 获取结果并打印出来
            string returndata = testdelegate.EndInvoke(result);
            Console.WriteLine(returndata);

            Console.ReadLine();
        }
        private static string asyncMethod()
        {
            Thread.Sleep(1000);
            PrintMessage("Asynchoronous Method");
            return "Method has completed";
        }

        // 打印线程池信息
        private static void PrintMessage(String data)
        {
            int workthreadnumber;
            int iothreadnumber;

            // 获得线程池中可用的线程，把获得的可用工作者线程数量赋给workthreadnumber变量
            // 获得的可用I/O线程数量给iothreadnumber变量
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out workthreadnumber, out iothreadnumber);

            Console.WriteLine("{0}\n CurrentThreadId is {1}\n CurrentThread is background :{2}\n WorkerThreadNumber is:{3}\n IOThreadNumbers is: {4}\n",
                data,
                Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
                Thread.CurrentThread.IsBackground.ToString(),
                workthreadnumber.ToString(),
                iothreadnumber.ToString());
        }
    }
}

运行结果：

image

五、任务

同样任务的引入也是为了解决通过ThreadPool.QueueUserWorkItem中限制的问题，

下面代码演示通过任务来实现异步：

5.1 使用任务来实现异步

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace TaskUse
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            PrintMessage("Main Thread Start");
            // 调用构造函数创建Task对象,
            Task<int> task = new Task<int>(n => asyncMethod((int)n), 10);

            // 启动任务 
            task.Start();
            // 等待任务完成
            task.Wait();
            Console.WriteLine("The Method result is: "+task.Result);

            Console.ReadLine();
        }

        private static int asyncMethod(int n)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            PrintMessage("Asynchoronous Method");

            int sum = 0;
            for (int i = 1; i < n; i++)
            {
                // 如果n太大，使用checked使下面代码抛出异常
                checked
                {
                    sum += i;
                }
            }

            return sum;
        }

        // 打印线程池信息
        private static void PrintMessage(String data)
        {
            int workthreadnumber;
            int iothreadnumber;

            // 获得线程池中可用的线程，把获得的可用工作者线程数量赋给workthreadnumber变量
            // 获得的可用I/O线程数量给iothreadnumber变量
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out workthreadnumber, out iothreadnumber);

            Console.WriteLine("{0}\n CurrentThreadId is {1}\n CurrentThread is background :{2}\n WorkerThreadNumber is:{3}\n IOThreadNumbers is: {4}\n",
                data,
                Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
                Thread.CurrentThread.IsBackground.ToString(),
                workthreadnumber.ToString(),
                iothreadnumber.ToString());
        }
    }
}

运行结果：

image

5.2 取消任务

如果要取消任务，同样可以使用一个CancellationTokenSource对象来取消一个Task.

下面代码演示了如何来取消一个任务：

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace TaskUse
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            PrintMessage("Main Thread Start");
            CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();

            // 调用构造函数创建Task对象,将一个CancellationToken传给Task构造器从而使Task和CancellationToken关联起来
            Task<int> task = new Task<int>(n => asyncMethod(cts.Token, (int)n), 10);

            // 启动任务 
            task.Start();

            // 延迟取消任务
            Thread.Sleep(3000);

            // 取消任务
            cts.Cancel();
            Console.WriteLine("The Method result is: " + task.Result);
            Console.ReadLine();
        }

        private static int asyncMethod(CancellationToken ct, int n)
        {
            Thread.Sleep(1000);
            PrintMessage("Asynchoronous Method");

            int sum = 0;
            try
            {
                for (int i = 1; i < n; i++)
                {
                    // 当CancellationTokenSource对象调用Cancel方法时，
                    // 就会引起OperationCanceledException异常
                    // 通过调用CancellationToken的ThrowIfCancellationRequested方法来定时检查操作是否已经取消，
                    // 这个方法和CancellationToken的IsCancellationRequested属性类似
                    ct.ThrowIfCancellationRequested();
                    Thread.Sleep(500);
                    // 如果n太大，使用checked使下面代码抛出异常
                    checked
                    {
                        sum += i;
                    }
                }
            }
            catch (Exception e)
            {
                Console.WriteLine("Exception is:" + e.GetType().Name);
                Console.WriteLine("Operation is Canceled");
            }

            return sum;
        }

        // 打印线程池信息
        private static void PrintMessage(String data)
        {
            int workthreadnumber;
            int iothreadnumber;

            // 获得线程池中可用的线程，把获得的可用工作者线程数量赋给workthreadnumber变量
            // 获得的可用I/O线程数量给iothreadnumber变量
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out workthreadnumber, out iothreadnumber);

            Console.WriteLine("{0}\n CurrentThreadId is {1}\n CurrentThread is background :{2}\n WorkerThreadNumber is:{3}\n IOThreadNumbers is: {4}\n",
                data,
                Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
                Thread.CurrentThread.IsBackground.ToString(),
                workthreadnumber.ToString(),
                iothreadnumber.ToString());
        }
    }
}

运行结果：

image

5.3 任务工厂

同样可以通过任务工厂TaskFactory类型来实现异步操作。

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace TaskFactory
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ThreadPool.SetMaxThreads(1000, 1000);
            Task.Factory.StartNew(() => PrintMessage("Main Thread")); 
            Console.Read();
        }
        // 打印线程池信息
        private static void PrintMessage(String data)
        {
            int workthreadnumber;
            int iothreadnumber;

            // 获得线程池中可用的线程，把获得的可用工作者线程数量赋给workthreadnumber变量
            // 获得的可用I/O线程数量给iothreadnumber变量
            ThreadPool.GetAvailableThreads(out workthreadnumber, out iothreadnumber);

            Console.WriteLine("{0}\n CurrentThreadId is {1}\n CurrentThread is background :{2}\n WorkerThreadNumber is:{3}\n IOThreadNumbers is: {4}\n",
                data,
                Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
                Thread.CurrentThread.IsBackground.ToString(),
                workthreadnumber.ToString(),
                iothreadnumber.ToString());
        }
    }
}

运行结果：

image

讲到这里CLR的工作者线程大致讲完了，希望也篇文章可以让大家对线程又有进一步的理解。在后面的一篇线程系列将谈谈CLR线程池的I/O线程。

[C# 线程处理系列]专题二：线程池中的工作者线程

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