詳解C#異步多線程使用中的常見問題

更新時(shí)間：2022年01月05日 11:03:46 作者：菜鳥厚非

本文主要介紹了C#異步多線程使用中的常見問題，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們可以參考一下

異常處理

小伙伴有沒有想過，多線程的異常怎么處理，同步方法內(nèi)的異常處理，想必都非常非常熟悉了。那多線程是什么樣的呢，接著我講解多線程的異常處理

首先，我們定義個(gè)任務(wù)列表，當(dāng) 11、12 次的時(shí)候，拋出一個(gè)異常，最外圍使用 try catch 包一下

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main Start，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    try
    {
        TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
        List<Task> tasks = new List<Task>();
        for (int i = 0; i < 20; i++)
        {
            string name = $"第 {i} 次";

            Action<object> action = t =>
            {
                Thread.Sleep(2 * 1000);
                if (name.ToString().Equals("第 11 次"))
                {
                    throw new Exception($"{t}，執(zhí)行失敗");
                }
                if (name.ToString().Equals("第 12 次"))
                {
                    throw new Exception($"{t}，執(zhí)行失敗");
                }
                Console.WriteLine($"{t}，執(zhí)行成功");
            };

            tasks.Add(taskFactory.StartNew(action, name));
        }
    }
    catch (AggregateException aex)
    {
        foreach (var item in aex.InnerExceptions)
        {
            Console.WriteLine("Main AggregateException：" + item.Message);
        }
    }
    catch (Exception ex)
    {
        Console.WriteLine("Main Exception：" + ex.Message);
    }

    Console.WriteLine($"Main End，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

啟動(dòng)程序，可以看到 vs 捕獲到了異常的代碼行，但 catch 并未捕獲到異常，這是為什么呢？是因?yàn)榫€程里面的異常被吞掉了，從運(yùn)行的結(jié)果也可以看到，main end 在子線程沒有執(zhí)行任時(shí)就已經(jīng)結(jié)束了，那說明 catch 已經(jīng)執(zhí)行過去了。

在這里插入圖片描述

那有沒有辦法捕獲多線程的異常呢？答案：有的，等待線程完成計(jì)算即可

看下面代碼，有個(gè)特殊的地方 AggregateException.InnerExceptions 專門為多線程準(zhǔn)備的，可以查看多線程異常信息

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main Start，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    try
    {
        TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
        List<Task> tasks = new List<Task>();
        for (int i = 0; i < 20; i++)
        {
            string name = $"第 {i} 次";

            Action<object> action = t =>
            {
                Thread.Sleep(2 * 1000);
                if (name.ToString().Equals("第 11 次"))
                {
                    throw new Exception($"{t}，執(zhí)行失敗");
                }
                if (name.ToString().Equals("第 12 次"))
                {
                    throw new Exception($"{t}，執(zhí)行失敗");
                }
                Console.WriteLine($"{t}，執(zhí)行成功");
            };

            tasks.Add(taskFactory.StartNew(action, name));
        }

        Task.WaitAll(tasks.ToArray());
    }
    catch (AggregateException aex)
    {
        foreach (var item in aex.InnerExceptions)
        {
            Console.WriteLine("Main AggregateException：" + item.Message);
        }
    }
    catch (Exception ex)
    {
        Console.WriteLine("Main Exception：" + ex.Message);
    }

    Console.WriteLine($"Main End，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

啟動(dòng)線程，可以看到任務(wù)全部執(zhí)行完畢，且 AggregateException.InnerExceptions 存儲(chǔ)了，子線程執(zhí)行時(shí)的異常信息

在這里插入圖片描述

但 WaitAll 不好，總不能一直 WaitAll 吧，它會(huì)卡界面。并不適用于異步場(chǎng)景對(duì)吧，接著來看另外一直解決方案。就是子線程里不允許出現(xiàn)異常，如果有自己處理好，即 try catch 包一下，平時(shí)工作中建議這么做。

使用 try catch 將子線程執(zhí)行的代碼包一下，且在 catch 打印錯(cuò)誤信息

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main Start，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    try
    {
        TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
        List<Task> tasks = new List<Task>();
        for (int i = 0; i < 20; i++)
        {
            string name = $"第 {i} 次";

            Action<object> action = t =>
            {
                try
                {
                    Thread.Sleep(2 * 1000);
                    if (name.ToString().Equals("第 11 次"))
                    {
                        throw new Exception($"{t}，執(zhí)行失敗");
                    }
                    if (name.ToString().Equals("第 12 次"))
                    {
                        throw new Exception($"{t}，執(zhí)行失敗");
                    }
                    Console.WriteLine($"{t}，執(zhí)行成功");
                }
                catch (Exception ex)
                {
					Console.WriteLine(ex.Message);
                }
            };

            tasks.Add(taskFactory.StartNew(action, name));
        }
    }
    catch (AggregateException aex)
    {
        foreach (var item in aex.InnerExceptions)
        {
            Console.WriteLine("Main AggregateException：" + item.Message);
        }
    }
    catch (Exception ex)
    {
        Console.WriteLine("Main Exception：" + ex.Message);
    }

    Console.WriteLine($"Main End，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

啟動(dòng)程序，可以看到任務(wù)全部執(zhí)行，且子線程異常也捕獲到

在這里插入圖片描述

線程取消

有時(shí)候會(huì)有這樣的場(chǎng)景，多個(gè)任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，如果某個(gè)任務(wù)失敗了，通知其他的任務(wù)都停下來。首先打個(gè)預(yù)防針 Task 在外部無法中止的，Thread.Abort 不靠譜。其實(shí)線程取消的這個(gè)想法是錯(cuò)誤的，線程是 OS 的資源，程序是無法掌控什么時(shí)候取消，發(fā)出一個(gè)動(dòng)作可能立馬取消，也可能等 1 s 取消。

解決方案：線程自己停止自己，定義公共的變量，修改變量狀態(tài)，其他線程不斷檢測(cè)公共變量

例如：CancellationTokenSource 就是公共變量，初始化為 false 狀態(tài)，程序執(zhí)行 CancellationTokenSource .Cancel() 方法會(huì)取消，其他線程檢測(cè)到 CancellationTokenSource .IsCancellationRequested 會(huì)是取消狀態(tài)。CancellationTokenSource.Token 在啟動(dòng) Task 時(shí)傳入，如果已經(jīng) CancellationTokenSource.Cancel() ，這個(gè)任務(wù)會(huì)放棄啟動(dòng)，拋出一個(gè)異常的形式放棄。

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main Start，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    try
    {
        TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
        List<Task> tasks = new List<Task>();
        CancellationTokenSource cancellationTokenSource = new CancellationTokenSource(); // bool 

        for (int i = 0; i < 20; i++)
        {
            string name = $"第 {i} 次";

            Action<object> action = t =>
            {
                try
                {
                    Thread.Sleep(2 * 1000);
                    if (name.ToString().Equals("第 11 次"))
                    {
                        throw new Exception($"{t}，執(zhí)行失敗");
                    }
                    if (name.ToString().Equals("第 12 次"))
                    {
                        throw new Exception($"{t}，執(zhí)行失敗");
                    }
                    if (cancellationTokenSource.IsCancellationRequested) // 檢測(cè)信號(hào)量
                    {
                        Console.WriteLine($"{t}，放棄執(zhí)行");
                        return;
                    }
                    Console.WriteLine($"{t}，執(zhí)行成功");
                }
                catch (Exception ex)
                {
                    cancellationTokenSource.Cancel();
                    Console.WriteLine(ex.Message);
                }
            };

            tasks.Add(taskFactory.StartNew(action, name,cancellationTokenSource.Token));
        }

        Task.WaitAll(tasks.ToArray());
    }
    catch (AggregateException aex)
    {
        foreach (var item in aex.InnerExceptions)
        {
            Console.WriteLine("Main AggregateException：" + item.Message);
        }
    }
    catch (Exception ex)
    {
        Console.WriteLine("Main Exception：" + ex.Message);
    }

    Console.WriteLine($"Main End，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

啟動(dòng)程序，可以看到 11、12 此任務(wù)失敗，18、19 放棄了任務(wù)執(zhí)。有的小伙伴疑問了，12 之后的部分為什么執(zhí)行成功了，因?yàn)?CPU 是分時(shí)分片的嗎，會(huì)有延遲，延遲少不了。

在這里插入圖片描述

臨時(shí)變量

首先看個(gè)代碼，循環(huán) 5 次，多線程的方式，依次輸出序號(hào)

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main Start，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        Task.Run(() => {
            Console.WriteLine(i);
        });
    }

    Console.WriteLine($"Main End，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

啟動(dòng)程序，不是我們預(yù)期的結(jié)果 0、1、2、3、4，為什么是 5 個(gè) 5 呢？因?yàn)槿讨挥幸粋€(gè) i ，當(dāng)主線程執(zhí)行完畢時(shí) i = 5 ，但子線程可能還沒有開始執(zhí)行任務(wù)，輪到子線程取 i 時(shí)，已經(jīng)是主線程 1 循環(huán)完畢后的 5 了。

在這里插入圖片描述

改造代碼：在 for 循環(huán)內(nèi)加一行代碼 int k = i，且在子線程用的變量也改為 k

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main Start，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        int k = i;
        Task.Run(() => {
            Console.WriteLine($"k={k},i={i}");
        });
    }

    Console.WriteLine($"Main End，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

啟動(dòng)程序，可以看到是我們預(yù)期的結(jié)果 0、1、2、3、4，為什么會(huì)這樣子呢？因?yàn)槿逃?5 個(gè) k，每次循環(huán)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè) k 存儲(chǔ)當(dāng)前的 i，不同的子線程使用的也是，每次循環(huán)的 i 值。

在這里插入圖片描述

線程安全

首先為什么會(huì)有線程安全的概念呢？首先我們來看一個(gè)正常程序，如下

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main Start，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    int TotalCount = 0;
    List<int> vs = new List<int>();

    for (int i = 0; i < 10000; i++)
    {
        TotalCount += 1;
        vs.Add(i);
    }

    Console.WriteLine(TotalCount);
    Console.WriteLine(vs.Count);

    Console.WriteLine($"Main End，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

啟動(dòng)程序，可以看到循環(huán) 10000 次，最終的求和與列表里的數(shù)據(jù)量都是 10000，這是正常的

在這里插入圖片描述

接著，將求和與添加列表，換成多線程，等待全部線程完成工作后，打印信息

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main Start，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    int TotalCount = 0;
    List<int> vs = new List<int>();

    TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
    List<Task> tasks = new List<Task>();

    for (int i = 0; i < 10000; i++)
    {
        int k = i;
        tasks.Add(taskFactory.StartNew(() =>
        {
            TotalCount += 1;
            vs.Add(i);
        }));
    }

    Task.WaitAll(tasks.ToArray());

    Console.WriteLine(TotalCount);
    Console.WriteLine(vs.Count);

    Console.WriteLine($"Main End，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

啟動(dòng)程序，可以看到，兩個(gè)結(jié)果都不是 10000 呢？這就是線程安全

因?yàn)?TotalCount 是個(gè)共享的變量，當(dāng)多個(gè)線程去取 TotalCount 進(jìn)行 +1 后，線程都去放值的時(shí)候，后一個(gè)線程會(huì)替換掉前一個(gè)線程放置的值，所以就會(huì)形成做最終不是 10000 的結(jié)果。列表，可以看做是一個(gè)連續(xù)的塊，當(dāng)多線程添加的時(shí)候，也會(huì)進(jìn)行覆蓋。

在這里插入圖片描述

如何解決呢？答案：lock、安全隊(duì)列、拆分合并計(jì)算。下面對(duì) lock 進(jìn)行講解，安全隊(duì)列與拆分合并計(jì)算，有興趣的小伙伴可以私下交流

1 .lock
第一種，通過加鎖的方式，這種也是日常工作總常用的一種。首先定義個(gè)私有的靜態(tài)引用類型的變量，然后將需要鎖的運(yùn)算放到 lock () 方法內(nèi)

在 { } 內(nèi)同一時(shí)刻，只有一個(gè)線程執(zhí)行，所以盡可能 {} 放置必要的邏輯運(yùn)行提高效率。lock 只能鎖引用類型，原理是占用這個(gè)引用鏈接。不要用 string 會(huì)享元，即如 lock() 是相同的字符串，無論定義多少個(gè)變量，其實(shí)都是一個(gè)。

internal class Program
{
    private static readonly object _lock = new object();

    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine($"Main Start，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

        int TotalCount = 0;
        List<int> vs = new List<int>();

        TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
        List<Task> tasks = new List<Task>();

        for (int i = 0; i < 10000; i++)
        {
            int k = i;
            tasks.Add(taskFactory.StartNew(() =>
            {
                lock (_lock)
                {
                    TotalCount += 1;
                    vs.Add(i);
                }
            }));
        }

        Task.WaitAll(tasks.ToArray());

        Console.WriteLine(TotalCount);
        Console.WriteLine(vs.Count);

        Console.WriteLine($"Main End，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

        Console.ReadLine();
    }
}

啟動(dòng)程序，可以看到，此時(shí)在多線程的情況下，最終的結(jié)果是正常的

在這里插入圖片描述

這段代碼，是官方推薦寫法 private 防止外面也被引用，static 保證全場(chǎng)唯一

private static readonly object _lock = new object();

擴(kuò)展：與 lock 等價(jià)的有個(gè) Monitor，用法如下

private static object _lock = new object();

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main Start，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    int TotalCount = 0;
    List<int> vs = new List<int>();

    TaskFactory taskFactory = new TaskFactory();
    List<Task> tasks = new List<Task>();

    for (int i = 0; i < 10000; i++)
    {
        int k = i;
        tasks.Add(taskFactory.StartNew(() =>
        {
            Monitor.Enter(_lock);
            TotalCount += 1;
            vs.Add(i);
            Monitor.Exit(_lock);
        }));
    }

    Task.WaitAll(tasks.ToArray());

    Console.WriteLine(TotalCount);
    Console.WriteLine(vs.Count);

    Console.WriteLine($"Main End，ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}，Datetime：{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

在這里插入圖片描述