编程深水区之并发⑤：C#的Thread线程

Windows、Linux和MacOS三大操作系统的进程和线程机制，实现上有一些差异，但大体的原理是差不多的。本章节讨论的进程和线程，以Windows操作系统为准。

一、再次深入进程和线程

不晓得大家有没有用过Windows95（用过的在评论区扣个1）？那个时代，最无奈的按键应该就是主机上的Reset。Windows95，是从16位过渡到32位的第一代系统，同时兼容16位和32位，所以仍然存在很多16位时代的老毛病，爱死机。主要原因是，16位时代的Windows是单线程系统，其中任何一个任务陷入死循环，就会造成死机，当然也有可能是这个任务还在执行、但你看不到任何响应的假死机。所以，Win95之后的Windows系统都是多线程操作系统（抢占式）。

1.1 进程和内存

首先出现的是进程，在一个进程中运行应用程序的实例。进程是应用程序实例需要使用的资源的集合，包括开辟一个独立的虚拟地址空间、加载应用程序的EXE、DLL等文件到内存。进程之间、以及进程与操作系统之间的资源相互独立，不能相互访问，所以系统变得更加安全和健壮。
创建进程的开销是很大的，它需要将应用程序的文件加载到内存中，往往体现在打开应用的速度上。此外，如你所见，进程是与内存相关的概念。而线程要做的事情，是跑应用程序的代码，所以它和CPU相关。

1.2 线程和CPU

现在继续解决应用程序发生死循环导致死机的问题。如果CPU只能执行完一个线程后再执行下一个线程，它就永远无法解决爱死机的问题。所以，Windows将CPU虚拟化，具体的做法就是将CPU的执行时间划分为一个个细小的时间片，通常只有几十毫秒，我们称它为逻辑CPU，而操作系统的任务，就是统一调度逻辑CPU来执行线程，逻辑CPU的执行和切换速度很快，所以你感觉不到上一刻帮你处理事情的CPU，实际上已经跑到其它地方去了。Windows为每个进程都分配了线程，应用程序的代码进入死循环时，那个代码相关联的进程会冻结，CPU会让出时间片，并执行其它等待的线程。同时，线程还允许用户使用另外一个应用程序（比如任务管理器）强制终止可能已经冻结的应用程序，从此Reset键变成了Ctrl+Alt+Delete键。
线程运行在进程环境中，共享进程的资源，创建线程的代价比进程低很多，但也不是完全没有开销。线程的开销主要包括以下几个方面：

**创建和销毁线程的开销：**创建内核对象（包括线程上下文）、环境块、用户模式栈、内核模式栈、DLL连接与分离（有些程序可能有几百个DLL），这里面包含了空间和时间的开销。
**线程切换的开销：**线程分配给CPU后，运行一个时间片，时间片到期，立即切换到下一个线程。切换线程时，①当前运行线程中CPU寄存器保存的结果要转移到内核对象的线程上下文中，②然后操作系统选择一个线程供调度，如果这个线程属于另外一个进程，还需要切换到另一个虚拟地址空间；③将新线程上下文结构中的值加载到CPU寄存器中。上下文切换的开销比想象中大，线程上下文保存在内存中，CPU执行时需要加载到寄存器中，而30ms之后，一次新的切换又发生了。
**垃圾回收机制GC和调试：**GC执行时，CLR（包含C#的运行时）必须挂起所有线程，干完活后，再恢复所有线程，挂起和恢复都需要额外开销，所以GC的性能和线程数量息息相关。调试程序时，也有类似行为。

补充一点，线程机制刚出来时，电脑都还是单核CPU，但现在是多核时代，还有超线程技术加持，CPU得以实现真正的并行，极大提升了操作系统的性能和响应能力。但是，单个CPU的运行机制仍然没有改变，且分配到某个CPU上执行的线程，会一直待在这个CPU上。

1.3 线程优先级

本节纯碎了解一下，对理解线程影响不大，一般也不需要去设置线程优先级。
前面有提到，现在Windows操作系统是抢占式的多线程操作系统，线程在任何时间都有可能停止并切换到另外一个线程，那Windows是如何决定什么时候执行哪个线程呢？
首先，检查前面提到的内核对象（上下文在里面），挑选出适合调度的线程；然后，在这些备选的线程中，执行优先级高的线程。早期版本中线程的优先级，划分为0-31级，31级的优先级最高。有一个默认的0级线程，由操作系统在启动时创建，它是内存的清道夫，但没有其它任何线程可执行时，系统就会执行这个0级线程，将所有空闲的内存清零。
这个0-31级的优先级，我们是无法控制的，但Windows公开了优先级的一个抽象层。进程被划分为：Idle、BelowNormal、Normal、AboveNormal、High和Realtime6个层级，线程被划分为Idle、Lowest、BelowNormal、Normal、AboveNormal、Highest和Time-Critical7个层级，它们两两相交，确定了一个线程的层级，比如一个Normal进程中的Normal线程，它映射的优先级为8。我们开发应用程序，一般都有宿主环境，比如基于AspNetCore的应用，所有应用进程的优先级都是受宿主环境约束的。

二、Thread线程

2.1 创建线程的方式

在C#中，我们可以非常方便的创建和使用线程，实现并发（异步）编程。如前所述，C#的多线程实际上是由操作系统进行统一调度和管理的，CLR只是公开了相应的操作API。目前使用多线程的方式，主要有三种，一是使用Thread创建前台线程；二是使用CLR管理的线程池；三是在线程池基础上的TPL。本章节先说Thread，但需要提醒的是，任何时候，都应该优先考虑使用线程池。

2.2 创建Thread线程

//Thread的构造方法有多个重载，参数是委托类型
//1、传入方法===================================================
//以下代码输出 1 7，其中1为主线程的ID，7为新线程的ID
//如果将Thread.Sleep(500)注释打开，输出7 1
//Thread.Sleep()方法阻塞当前线程，让当前线程等待
public class Program
{static void Main(string[] args){var mythread = new Thread(MyThreadMethod);//创建新线程mythread.Start();//启动线程//Thread.Sleep(500); //阻塞当前线程（主线程）Thread thread = Thread.CurrentThread;//获取当前主线程对象Console.WriteLine(thread.ManagedThreadId);//输出主线程ID}//在新线程中执行的方法static void MyThreadMethod(){Thread thread = Thread.CurrentThread;//获取新线程对象Console.WriteLine(thread.ManagedThreadId);//输出新线程ID}
}//2、传入Lambda=================================================
public class Program
{static void Main(string[] args){var mythread = new Thread(() =>{Thread thread = Thread.CurrentThread;Console.WriteLine(thread.ManagedThreadId);});mythread.Start();Thread thread = Thread.CurrentThread;Console.WriteLine(thread.ManagedThreadId);}
}//3、创建新线程时传参============================================
//注意，委托的参数只有一个，且必须是object类型，在新线程内要进行转换
public class Program
{static void Main(string[] args){var mythread = new Thread((object? obj) => {if (obj is not null) {int num;var sucess = int.TryParse(obj.ToString(), out num);if (sucess){Console.WriteLine($"输入参数为：{num}");}}});mythread.Start(5);//传入参数}
}

2.3 当前线程状态Thread.CurrentThread

//通过Thread的静态属性CurrentThread，获取当前线程对象
public class Program
{static void Main(string[] args){var currentThread = Thread.CurrentThread;//获取当前线程对象currentThread.Name = "主线程";//设置当前线程名称Console.WriteLine(currentThread.Name);//线程名称Console.WriteLine(currentThread.ManagedThreadId);//线程IDConsole.WriteLine(currentThread.CurrentCulture);//线程区域Console.WriteLine(currentThread.CurrentUICulture);//线程语言Console.WriteLine(currentThread.IsAlive);//是否存活Console.WriteLine(currentThread.IsBackground);//是否是后台线程Console.WriteLine(currentThread.IsThreadPoolThread);//是否是线程池线程}
}
/*输出：
主线程
1
zh-CN
zh-CN
True
False
False
*/

2.4 线程阻塞，Thread.Sleep()和线程对象的Join()方法

//1、Thread.Sleep()静态方法======================================
//Thread.Sleep()，会阻塞当前线程，让当前线程等待规定时间
//Task.Delay()可以实现类似功能，但它不会阻塞，两者区别在下个章节展开
public class Program
{static void Main(string[] args){Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);Console.WriteLine(DateTime.Now);Thread.Sleep(1000);Console.WriteLine(DateTime.Now);Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);}
}
/*输出
1
2024/8/1 15:03:06
2024/8/1 15:03:07
1
*///1、Join()，Thread的实例方法====================================
//当在一个线程中调用另一个线程对象的 Join() 方法时
//当前线程会被阻塞，直到被调用 Join() 方法的线程执行完毕。
public class Program
{static void Main(){var newthread = new Thread(NewThreadMethod);newthread.Start();//主线程调用newthread的Join方法，等待newthread执行完毕newthread.Join();Console.WriteLine("newthread执行完毕，主线程继续执行");}static void NewThreadMethod(){Console.WriteLine("子线程开始执行");Thread.Sleep(3000);//模拟耗时操作Console.WriteLine("子线程执行结束");}
}

2.5 前台线程和后台线程

使用Thread创建的线程，默认和主线程一样，IsBackground值为false，即前台线程，而使用CLR线程池创建立的线程，默认为后台线程。前台线程和后台线程的区别为：当一个进程的所有前台线程都停止时，CLR强制终止仍在运行的所有后台进程，并退出进程。随意使用Thread创建一个长时运行的前台线程是很危险的，比如你在GUI的Button事件上创建了一个长时运行的Thread前台线程，当你关闭UI窗口后，会发现任务管理器中，仍然在运行着这个应用。Thread创建线程时，是可以设置为后台线程的，如下：

public class Program
{static void Main(){var newthread = new Thread(NewThreadMethod);newthread.IsBackground = true;newthread.Start();Console.ReadKey();}static void NewThreadMethod(){var currentThread = Thread.CurrentThread;Console.WriteLine(currentThread.IsBackground);Console.WriteLine(currentThread.ManagedThreadId);}
}
/*输出
true
7
*/

2.6 线程终止

最优情况下，Thread线程应该可以自然终止，这样线程退出时能够安全的清理资源。除此之外，也可以通过代码强行终止线程。.NET Framework，可以使用thread.Abort()强行终止，但它不安全，可能导致资源泄漏或不一致状态。所以，到了.NETCore和现在的.NET时代，移除了这个API。如果要强行退出线程，推荐使用共享变量或CancellationToken，两种用法相似。CancellationToken常用于TPL任务并行库（Task Parallel Library），放到下个章节。以下为使用共享变量：

//调用Stop()方法，线程退出
//CancellationToken原理和这个类似
private bool _shouldStop = false;
public void DoWork()
{while (!_shouldStop){// 执行线程的工作}// 清理资源
}public void Stop()
{_shouldStop = true;
}