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(wù)，而不需要理會線程管理。

線程池的應(yīng)用場景：任務(wù)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(shè)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(shè)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(wù)、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(wù)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(wù)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(yīng)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(jié)果大約 160。

線程池線程數(shù)

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

// 設(shè)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(shè)置成功。

// 設(shè)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(shè)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(guān)鍵詞，下面會學習到相關(guān)知識。

線程池線程數(shù)說明

關(guān)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(wù)
            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(wù)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(jié)果(我們的運行結(jié)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(jié)合運行結(jié)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(wù)，都有 8 個線程存活。

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

如果設(shè)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(jié)果就是八)。

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

設(shè)置線程數(shù)過大，會導致任務(wù)切換開銷變大，消耗更多得性能資源。

如果加入的任務(wù)大于設(shè)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(shè)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(shè)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(wù)，也可以去掉
            result.AsyncWaitHandle.WaitOne();
            Console.WriteLine("異步執(zhí)行");

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

            // 關(guān)閉
            result.AsyncWaitHandle.Close();

            Console.WriteLine("異步處理結(jié)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(jié)果
            return "喜歡我的讀者可以關(guān)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(cè)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(guān)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(wù)取消功能

這個取消跟線程池池無關(guān)。

CancellationToken：傳播有關(guān)應(yīng)取消操作的通知。

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

兩者關(guān)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(wù)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(wù)");

            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(guān)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(gòu)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(shè)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(guān)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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