谈谈C#多线程开发：并行、并发与异步编程

时间:2020-05-29 seabluescn 人气:1

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一、使用Task

二、并行编程

三、线程同步

四、异步编程模型

五、多线程数据安全

六、异常处理

概述

现代程序开发过程中不可避免会使用到多线程相关的技术，之所以要使用多线程，主要原因或目的大致有以下几个：

1、业务特性决定程序就是多任务的，比如，一边采集数据、一边分析数据、同时还要实时显示数据；

2、在执行一个较长时间的任务时，不能阻塞UI界面响应，必须通过后台线程处理；

3、在执行批量计算密集型任务时，采用多线程技术可以提高运行效率。

传统使用的多线程技术有：

Thread & ThreadPool
Timer
BackgroundWorker

目前，这些技术都不再推荐使用了，目前推荐采用基于任务的异步编程模型，包括并行编程和Task的使用。

一、使用Task：

大部分情况下，多线程的应用场景是在后台执行一个较长时间的任务时，不能阻塞界面响应，同时，任务还是可以取消的。

下面我们实现一个简单的示例功能：用户点击Start按钮时启动一个任务，任务执行过程中通过进度条显示任务进度，点击Stop按钮结束任务。

    public partial class Form1 : Form
    {
        private volatile bool CancelWork = false;

        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void btnStart_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            this.btnStart.Enabled = false;
            this.btnStop.Enabled = true;

            CancelWork = false;
            Task.Run(() => WorkThread());
        }

        private void btnStop_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            CancelWork = true;
        }

        private void WorkThread()
        {
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                this.Invoke(new Action(() =>
                {
                    this.progressBar.Value = i;
                }));

                Thread.Sleep(1000);

                if(CancelWork)
                {
                    break;
                }
            }

            this.Invoke(new Action(() =>
            {
                this.btnStart.Enabled = true;
                this.btnStop.Enabled = false;
            }));            
        }
    }

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这个代码写的中规中矩，没什么特别的地方，仅仅是用Tsak取代了早期经常采用的Thread、ThreadPool等，虽然Task内部也是对ThreadPool的封装，但仍然建议尽量采用TASK来实现多任务。

注意：虽然可以通过代码强行结束一个任务，但强烈建议不要这样做，应该给它一个通知让其自己结束。

二、并行编程：

目标：通过一个计算素数的方法，循环计算并打印出10000以内的素数。

计算一个数是否素数的方法：

        private static bool IsPrimeNumber(int number)
        {
            if (number < 1)
            {
                return false;
            }

            if (number == 1 && number == 2)
            {
                return true;
            }

            for (int i = 2; i < number; i++)
            {
                if (number % i == 0)
                {
                    return false;
                }
            }

            return true;
        }

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如果不采用并行编程，常规实现方法：

            for (int i = 1; i <= 10000; i++)
            {
                bool b = IsPrimeNumber(i);             
                Console.WriteLine($"{i}:{b}");
            }

采用并行编程方法：

           Parallel.For(1, 10000, x=> 
           {
                bool b = IsPrimeNumber(x);              
                Console.WriteLine($"{i}:{b}");
            });

运行程序发现时间差异并不大，主要原因是瓶颈在打印控制台上面，去掉打印代码，只保留计算代码，就可以看出性能差异。

Parallel实际是通过线程池进行任务的分配，线程池的最小线程数和最大线程数将影响到整个程序的性能，需要合理设置。（最小线程默认为8。）

            ThreadPool.SetMinThreads(10, 10);
            ThreadPool.SetMaxThreads(20, 20);

按照上述设置，假设线程任务耗时比较长不能很快结束。在启动前面10个线程时速度很快，第10~20个线程就比较慢一点，大约0.5秒，到达20个线程以后，如果前期任务没有结束就不能继续分配任务了。

和Task类似，Parallel类仍然是对ThreadPool的封装，但Parallel有一个优势，它能知道所有任务是否完成，如果采用线程池来实现批量任务，我们需要自己通过计数的方式确定所有子任务是否全部完成。

Parallel类还有一个ForEach方法，使用和For类似，就不重复描述了。

三、线程（或任务）同步

有时我们需要通知一个任务结束，或一个任务等待某个条件进入下一个状态，这就需要用到任务同步的技术。

一个比较简单的方法就是定义一个变量来表示状态。

private volatile bool CancelWork = false;

后台任务可以轮询该变量进行判断：

            for (int i = 0; i < 100; i++)
            { 
                if(CancelWork)
                {
                    break;
                }
            }

这是我们常用的方法，可以称为线程状态机同步（虽然只有两个状态）。需要注意的是在通过轮询去读取状态时，循环体内至少应该有1ms的Sleep，不然CPU会很高。

线程同步还有一个比较好的办法就是采用ManualResetEvent 和AutoResetEvent ：

   public partial class Form1 : Form
    {  
        private ManualResetEvent manualResetEvent = new ManualResetEvent(false);

        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void btnStart_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            this.btnStart.Enabled = false;
            this.btnStop.Enabled = true;

            manualResetEvent.Reset();
            Task.Run(() => WorkThread());
        }

        private void btnStop_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            manualResetEvent.Set();
        }

        private void WorkThread()
        {
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                this.Invoke(new Action(() =>
                {
                    this.progressBar.Value = i;
                }));

               if(manualResetEvent.WaitOne(1000))
                {
                    break;
                }
            }

            this.Invoke(new Action(() =>
            {
                this.btnStart.Enabled = true;
                this.btnStop.Enabled = false;
            }));            
        }
    }

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采用WaitOne来等待比通过Sleep进行延时要更好，因为当执行manualResetEvent.WaitOne(1000)时，如果manualResetEvent没有调用Set，该方法在等待1000ms后返回false，如果期间调用了manualResetEvent的Set方法，该方法会立即返回true，不用等待剩下的时间。

采用这种同步方式优于采用通过内部字段变量进行同步的方式，另外尽量采用ManualResetEvent 而不是AutoResetEvent 。

四、异步编程模型（await、async）

假设我们要实现一个简单的功能：当点击启动按钮时，运行一个任务，任务结束时要报告是否成功，如果成功就显示绿色图标、如果失败就显示红色图标，1秒后图标颜色恢复为白色；任务运行期间启动按钮要不可用。

我写了相关代码：

    public partial class Form1 : Form
    {
        private void btnStart_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            this.btnStart.Enabled = false;

            if(DoSomething())
            {
                this.picShow.BackColor = Color.Green;
            }
            else
            {
                this.picShow.BackColor = Color.Red;
            }

            Thread.Sleep(1000);
           
            this.picShow.BackColor = Color.White;
            this.btnStart.Enabled = true;
        }

        private bool DoSomething()
        {
            Thread.Sleep(5000);
            return true;
        }
    }

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这段代码逻辑清晰、条理清楚，一看就能明白，但存在两个问题：

1、运行期间UI线程阻塞了，用户界面没有响应；

2、根本不能实现需求，点击启动后，程序卡死6秒种，也没有看到颜色变化，因为UI线程已经阻塞，当重新获得句柄时图标已经是白色了。

为了实现需求，我们改用多任务来实现相关功能：

    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void btnStart_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            this.btnStart.Enabled = false;

            Task.Run(() => 
            {  
                if (DoSomething())
                {
                    this.Invoke(new Action(() =>
                    {
                        this.picShow.BackColor = Color.Green;
                    }));                   
                }
                else
                {
                    this.Invoke(new Action(() =>
                    {
                        this.picShow.BackColor = Color.Red;
                    }));                   
                }

                Thread.Sleep(1000);

                this.Invoke(new Action(() =>
                {
                    this.btnStart.Enabled = true;
                    this.picShow.BackColor = Color.White;
                }));               
            });           
        }

        private bool DoSomething()
        {
            Thread.Sleep(5000);
            return true;
        }
    }

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以上代码完全实现了最初的需求，但有几个不完美的地方：

1、主线程的btnStart_Click方法除了启动一个任务以外，啥事也没干；

2、由于非UI线程不能访问UI控件，代码里有很多Invoke，比较丑陋；

3、界面逻辑和业务逻辑掺和在一起，使得代码难以理解。

采用C#的异步编程模型，通过使用await、async关键字，可以更好地实现上述需求。

    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private async void btnStart_ClickAsync(object sender, EventArgs e)
        {
            this.btnStart.Enabled = false;

            var result = await DoSomethingAsync();
            if(result)
            {
                this.picShow.BackColor = Color.Green;
            }
            else
            {
                this.picShow.BackColor = Color.Red;
            }

            await Task.Delay(1000);
            
            this.picShow.BackColor = Color.White;
            this.btnStart.Enabled = true;
        }

        private async Task<bool> DoSomethingAsync()
        {
            await Task.Run(() =>
            {
                Thread.Sleep(5000);                
            });
            return true;
        }
    }

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这段代码看起来就像是同步代码，其业务逻辑是如此的清晰优雅，让人一目了然，关键是它还不阻塞线程，UI正常响应。

可以看到，通过使用await关键字，我们可以专注于业务功能实现，特别是后续任务需要前序任务的返回值的情况下，可以大量减少任务之间的同步操作，代码的可读性也大大增强。

五、多线程环境下的数据安全

目标：我们要向一个字典加入一些数据项，为了增加效率，我们使用了多个线程。

       private async static void Test1()
        {
            Task.Run(() => AddData());
            Task.Run(() => AddData());
            Task.Run(() => AddData());
            Task.Run(() => AddData()); 
        }

        private static void AddData()
        {
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                if(!Dic.ContainsKey(i))
                {
                    Dic.Add(i, i.ToString());
                }

                Thread.Sleep(50);
            }
        }

View Code

向字典重复加入同样的关键字会引发异常，所以在增加数据前我们检查一下是否已经包含该关键字。以上代码看似没有问题，但有时还是会引发异常：“已添加了具有相同键的项。”原因在于我们在检查是否包含该Key时是不包含的，但在新增时其他线程加入了同样的KEY，当前线程再增加就报错了。

【注意：也许你多次运行上述程序都能顺利执行，不报异常，但还是要清楚认识到上述代码是有问题的！毕竟，程序在大部分情况下都运行正常，偶尔报一次故障才是最头疼的事情。】

上述问题传统的解决方案就是增加锁机制。对于核心的修改代码通过锁来确保不会重入。

        private object locker4Add=new object();
        private static void AddData()
        {
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                lock (locker4Add)
                {
                    if (!Dic.ContainsKey(i))
                    {
                        Dic.Add(i, i.ToString());
                    }
                }

                Thread.Sleep(50);
            }
        }

以上代码可以解决问题，但不是最佳方案。更好的方案是使用线程安全的容器：ConcurrentDictionary。

        private static ConcurrentDictionary<int, string> Dic = new ConcurrentDictionary<int, string>();
      
        private async static void Test1()
        {
            Task.Run(() => AddData());
            Task.Run(() => AddData());
            Task.Run(() => AddData());
            Task.Run(() => AddData());   
        }

        private static void AddData()
        {
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                Dic.TryAdd(i, i.ToString());
                Thread.Sleep(50);
            }
        }

View Code

你可以在新增前继续检查一下容器是否已经包含该Key，你也可以不用检查，TryAdd方法确保不会重复添加且不会产生异常。

刚才是多个线程同时写某个对象，如果就单个线程写对象，其他多个线程仅仅是消费（访问）对象，是否可以使用非线程安全的容器呢？

基本上来说多个线程读取一个对象是没有太大问题的，但还是会存在一些要注意的地方：

1、对于常用的List，在对其进行foreach时List对象不能被修改，不仅不能Remove，Add也不可以；否则会报一个异常：异常信息:”集合已修改；可能无法执行枚举操作。”

2、还有一个类似的问题就是调用Dictionary的ToList方法时有时会报错，将Dictionary 类型改成ConcurrentDictionary类型，问题依然存在，其原因是ToList会读取字典的Count，创建相关大小的区域后执行复制，而此时字典的长度增加了。

以上只是描述了多线程数据访问的两个小例子，实际使用中相关的问题一定会远远不止这些，多线程程序的大部分异常都是因为资源竞争引起的（包括死锁），一定要小心处理。

六、多线程的异常处理

(一) 异常处理的几个基本原则

1、基本原则：不要轻易捕获根异常；

2、组件或控件抛出异常时可以根据需要自定义一些异常，不要抛出根异常，可以直接使用的常用异常有：FormatException、IndexOutOfRangException、InvalidOperationException、InvalidEnumArgumentException ；没有合适的就自定义；

3、用户自定义异常从ApplicationException继承；

4、多线程的内部异常不会传播到主线程，应该在内部进行处理，可以通过事件推到主线程来；

5、应用程序层面可以捕获根异常，做一些记录工作，切不可隐匿异常。

(二) 异常处理方案（基于WPF实现）

主线程的异常处理：

捕获你知道的异常，并自行处理，但不要轻易捕获根异常，下面的代码令人深恶痛绝：

            try
            {
                DoSomething();                
            }
            catch(Exception)
            {
                //Do Nothing
            }

当然，如果你确定有能力捕获根异常，并且是业务逻辑的一部分，可以捕获根异常：

            try
            {
                DoSomething();
                MessageBox.Show("OK");                
            }
            catch(Exception ex)
            {
                MessageBox.Show($"ERROR:{ex.Message}");
            }

可等待异步任务的异常处理：

可等待的任务内的异常是可以传递到调用者线程的，可以按照主线程异常统一处理：

            try
            {
                await DoSomething();                                
            }
            catch(FormatException ex)
            {
                //Do Something
            }

Task任务内部异常处理：

非可等待的Task任务内部异常是无法传递到调用者线程的，参考下面代码：

            try
            {
                Task.Run(() =>
                {
                    string s = "aaa";
                    int i = int.Parse(s);
                });
            }
            catch (FormatException ex)
            {
                MessageBox.Show("Error");
            }

上面代码不会实现你期望的效果，它只会造成程序的崩溃。（有时候不会立即崩溃，后面会有解释）

处理办法有两个：

1、自行处理：（1）处理可以预料的异常，（2）同时处理根异常（写日志等），也可以不处理根异常，后面统一处理；

2、或将异常包装成事件推送到主线程，交给主线程处理。

public partial class FormSync : Form
{ 
    private event EventHandler<UnhangdledExceptionArgs> UnhandledExceptionCatched;

    private void Form_Load()
    {
       UnhandledExceptionCatched += MainWindow_UnhandledExceptionCatched;
    }
    private void MainWindow_UnhandledExceptionCatched(object sender, UnhangdledExceptionArgs e)
    {          
        MessageBox.Show($"Catch  Exception:{e.InnerException.Message}");
    }

   private  void Thread1()
   { 
        Task.Run(()=>
        { 
            try
            {
                throw new ApplicationException("Thread Exception");
            }
            catch (Exception ex)
            {                
                UnhangdledExceptionArgs args = new UnhangdledExceptionArgs()
                {
                    InnerException = ex
                };
                UnhandledExceptionCatched?.Invoke(null, args);
            }
        });
     }
}

public class UnhangdledExceptionArgs : EventArgs
{
    public Exception InnerException { get; set; }
}

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Thread和ThreadPool内部异常：

虽然不推荐使用Thread，如果实在要用，其处理原则和上述普通Task任务内部异常处理方案一致。

全局未处理异常的处理：

虽然我们不推荐catch根异常，但如果一旦发生未知异常程序就崩溃，客户恐怕难以接受吧，如果要求所有业务模块都处理根异常并进行保存日志、弹出消息等操作又非常繁琐，所以，处理的思路是业务模块不处理根异常，但应用程序要对未处理异常进行统一处理。

    public partial class App : Application
    {
        App()
        {              
            this.Startup += App_Startup;
        }

        private void App_Startup(object sender, StartupEventArgs e)
        { 
            this.DispatcherUnhandledException += App_DispatcherUnhandledException;                     
            AppDomain.CurrentDomain.UnhandledException += CurrentDomain_UnhandledException;
            TaskScheduler.UnobservedTaskException += TaskScheduler_UnobservedTaskException;        
        }

        //主线程未处理异常
        private void App_DispatcherUnhandledException(object sender, System.Windows.Threading.DispatcherUnhandledExceptionEventArgs e)
        {
            DoSomething(e.Exception);
            e.Handled = true;
        }

        //未处理线程异常(如果主线程未处理异常已经处理，该异常不会触发)
        private void CurrentDomain_UnhandledException(object sender, UnhandledExceptionEventArgs e)
        {
            if (e.ExceptionObject is Exception ex)
            {
                DoSomething(ex);
            }
        }

        //未处理的Task内异常
        private void TaskScheduler_UnobservedTaskException(object sender, UnobservedTaskExceptionEventArgs e)
        {
            DoSomething(e.Exception);
        }

        //保存、显示异常信息
        private void ProcessException(Exception exception)
        { 
            //保存日志
            //提醒用户
        }
    }

解释一下：

1、当主线程发生未处理异常时会触发App_DispatcherUnhandledException事件，在该事件中如果设置e.Handled = true，那么系统不会崩溃，如果没有设置e.Handled = true，会继续触发CurrentDomain_UnhandledException事件（毕竟主线程也是线程），而CurrentDomain_UnhandledException事件和TaskScheduler_UnobservedTaskException事件触发后，操作系统都会强行关闭这个应用程序。所以我们应该在App_DispatcherUnhandledException事件中设置e.Handled = true。

2、Thread线程异常会触发CurrentDomain_UnhandledException事件，导致系统崩溃，所以建议尽量不要使用Thread和ThreadPool。

3、非可等待的Task内部异常会触发TaskScheduler_UnobservedTaskException事件，导致系统崩溃，所以建议Task内部自行处理根异常或将异常封装为事件推到主线程。需要额外注意一点：Task内的未处理异常不会被立即触发事件，而是要延迟到GC执行回收的时候才触发，这使得问题更复杂，需要小心处理。

总之

当前，异步编程模型已经是.NET框架的基本功能了，特别是WEB开发，后台代码已经全面异步化了，所以每个C#开发人员都不能轻视它，必须熟练掌握。虽然在一知半解的情况下也能写多线程程序，写的程序也能跑，但就是那些平时一切正常偶尔抽风一下的错误会让头痛不已。只有深刻了解多线程的内部原理，并遵循结构化的设计原则才能写出健壮、优美的代码。

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谈谈C#多线程开发：并行、并发与异步编程

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概述

一、使用Task：

二、并行编程：

三、 线程（或任务）同步

四、异步编程模型（await、async）

五、 多线程环境下的数据安全

六、多线程的异常处理

(一) 异常处理的几个基本原则

(二) 异常处理方案（基于WPF实现）

总之

三、线程（或任务）同步

五、多线程环境下的数据安全