C# - 多线程

C# - 现代并发与多线程

在现代软件开发中，并发是指多个任务看似同时执行的能力。线程是进程内执行的基本单位。通过使用多线程，应用程序可以同时执行多项工作，从而提高响应能力和性能，尤其对于带有用户界面 (UI) 或执行耗时输入/输出 (I/O) 操作（如网络请求或文件访问）的应用程序。

尽管 C# 从一开始就支持低级线程管理，但现代方法围绕着任务并行库 (TPL) 提供的高级抽象。使用 Task、async 和 await 等构造简化了并发编程，减少了样板代码，并有助于避免常见的陷阱，如竞态条件和死锁。

从线程到任务：现代方法

直接管理 System.Threading.Thread 对象现在被认为是低级操作，仅限于特定场景。对于大多数应用程序级别的并发，您应该使用 Task 类。Task 表示一个可能在单独线程上运行的异步操作。.NET 运行时 使用线程池高效地管理底层线程。

Task 的生命周期比原始线程更抽象，并通过其状态进行管理：

• Created (已创建): 任务已创建但尚未安排运行。
• WaitingToRun (等待运行): 任务已安排执行但正在等待调度程序分配资源。
• Running (正在运行): 任务当前正在执行。
• RanToCompletion (已成功完成): 任务成功完成执行。
• Faulted (故障): 任务因未处理的异常而终止。
• Canceled (已取消): 任务在完成之前被取消。

主线程和 async 主方法

每个 C# 应用程序都从主线程开始。对于现代 C#（7.1 及更高版本），Main 方法可以标记为 async，允许您在应用程序的顶层使用 await。这是编写执行异步操作的现代控制台应用程序的标准方式。

示例：异步主方法

以下程序演示了一个 async Main 方法以及如何启动一个新任务。

using System;
using System.Threading.Tasks;

namespace ModernConcurrencyApp {
    class Program {
        // Main 方法现在是异步的，并返回一个 Task
        static async Task Main(string[] args) {
            Console.WriteLine("主线程已启动。");

            // 使用 Task.Run 启动一个后台任务
            Task backgroundTask = Task.Run(() => {
                Console.WriteLine("后台任务正在启动...");
                // 模拟 5 秒的工作负载
                Task.Delay(5000).Wait();
                Console.WriteLine("后台任务已完成。");
            });

            Console.WriteLine("主线程在后台任务运行时继续执行。");

            // 异步等待后台任务完成
            await backgroundTask;

            Console.WriteLine("后台任务完成后，主线程已完成。");
        }
    }
}

编译并执行上述代码后，输出将演示非阻塞执行：

Main thread started.
Main thread continues execution while the background task runs.
Background task starting...
(after 5 seconds)
Background task finished.
Main thread finished after background task completed.

关键 Task 和 Task<T> 方法

以下是一些与 Task 类一起使用的最常用方法：

方法	描述
Task.Run(Action)	将工作排队到线程池中运行，并返回该工作的 Task 句柄。
Task.Delay(int)	创建一个在指定时间间隔后完成的任务。是 Thread.Sleep 的非阻塞版本。
Task.Wait()	阻塞调用线程直到任务完成。请谨慎使用，因为它可能在 UI 或 ASP.NET Core 上下文中导致死锁。推荐使用 await。
await myTask	await 运算符暂停当前方法的执行，直到等待的任务完成。它不会阻塞线程。
Task.WhenAll(...)	创建一个任务，当所有提供的任务都完成后才完成。
Task.WhenAny(...)	创建一个任务，当任何提供的任务完成后即完成。

传递参数和返回值

使用 lambda 表达式是向任务传递参数的标准方式。要返回一个值，请使用 Task<TResult>，其中 TResult 是您希望返回值的类型。可以通过 await 任务来检索结果。

示例：带参数和返回值的任务

此示例演示了一个接受参数并返回结果的任务。

using System;
using System.Threading.Tasks;

class Program {
    static async Task Main() {
        Console.WriteLine("主方法已启动。");

        // 使用 lambda 表达式传递参数并运行任务。
        // 任务返回一个字符串，因此我们使用 Task<string>。
        Task<string> fetchTask = Task.Run(() => FetchDataFromServer("user-123"));

        Console.WriteLine("正在等待数据获取...");

        // await 任务以获取结果，而不会阻塞线程。
        string result = await fetchTask;

        Console.WriteLine($"收到的数据: {result}");
        Console.WriteLine("主方法已完成。");
    }

    static string FetchDataFromServer(string userId) {
        // 模拟网络请求
        Task.Delay(3000).Wait();
        return $"{{'name': 'John Doe', 'id': '{userId}'}}"; // 返回一个 JSON 类似字符串
    }
}

输出将显示 3 秒延迟后打印结果：

Main method started.
Waiting for data to be fetched...
(after 3 seconds)
Data received: {'name': 'John Doe', 'id': 'user-123'}
Main method finished.

协作式取消：停止任务的现代方式

旧的 Thread.Abort() 方法很危险，因为它可以在任何时候终止线程，可能导致应用程序状态损坏。它现在已弃用。处理取消的现代、安全方式是使用 CancellationToken 进行协作式取消。

该过程包括：

1. 创建 CancellationTokenSource。
2. 将其 CancellationToken 传递给任务。
3. 在任务内部，通过 token.IsCancellationRequested 定期检查是否已请求取消。
4. 调用代码通过调用 cancellationTokenSource.Cancel() 请求取消。

示例：取消任务

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

class Program {
    static async Task Main() {
        var cts = new CancellationTokenSource();
        Console.WriteLine("正在启动一个长期运行的任务...");
        Console.WriteLine("按 'c' 取消。");

        // 启动可取消任务
        Task longRunningTask = CountToInfinity(cts.Token);

        // 监听用户输入以取消
        if (Console.ReadKey().KeyChar == 'c') {
            cts.Cancel();
            Console.WriteLine("\n已请求取消。");
        }

        try {
            // 等待任务完成或被取消
            await longRunningTask;
        } catch (OperationCanceledException) {
            Console.WriteLine("任务已成功取消。");
        }

        Console.WriteLine("程序已完成。");
    }

    static async Task CountToInfinity(CancellationToken token) {
        long i = 0;
        while (true) {
            // 在每次迭代中检查取消请求
            token.ThrowIfCancellationRequested();

            Console.Write($"\r计数: {i++}");
            // await 短暂延迟，以防止循环阻塞并保持响应
            await Task.Delay(100, token);
        }
    }
}

运行此程序时，它将开始计数。如果您按下“c”键，它将停止并打印取消消息。

进一步学习

这是对 C# 现代并发的简要介绍。对于实际应用程序，您还应该探索：

• IProgress<T>: 用于从后台任务向 UI 线程报告进度。
• 数据同步: lock、SemaphoreSlim 和并发集合 (Concurrent collections)，用于安全地从多个线程访问共享数据。
• 并行 LINQ (PLINQ): 用于轻松地并行化数据处理查询。