C# 异步多线程

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进程、线程

1. 进程

首先了解，什么是线程? 即一个应用程序运行时，占用资源的综合是一个进程。Windows 任务管理器里面可以看到，里面一个个都是在运行的进程。

2. 线程

线程是执行流的最小单位。线程其实是看不到的，其实也可以，例如 Windows 任务管理器：正在运行 272 个进程，272 个进程运行了 3909 个线程，也就是一个进程可以拥有多个线程。

分时、分片

现在有个怪相，CPU 实在太快了，内存显卡其他硬件资源其实都跟不上 CPU 的速度，于是就产生了分片的概念。从微观角度来讲，以前电脑很多都是单核，一时刻只能执行一个线程，按照这个道理，为什么我们的计算机还可以同时运行许多个应用呢。但从宏观来说是并发的，多个应用同时执行，我们既可以扫雷也可以完蜘蛛纸牌还可以听音乐。这就是分片，分片会产生一个上下文，假设当前执行扫雷线程，下一个时刻执行蜘蛛纸牌线程，CPU 会将扫雷线程上下文保存起来，切换成蜘蛛纸牌线程，这样进行来回调度，从宏观来看是并发的。

这个补充一点额外知识，多 CPU 多核，本身就可以完成多个线程的计算，可以独立工作。4核8线程，核就是物理的核，线程是虚拟的核，每个核可以进行分片做并发的。

同步、异步

我们开发人员口中常说的同步、异步，其实是对方法执行的描述。因为编程语言本身是没有线程的，它只能去向操作系统申请线程，去执行代码。

同步方法，代码执行第一行到最后一行依次执行到结束，完成第一行之后进入下第二行直到最后一行，这就是同步，阻塞式的。

异步方法，不会等待当前行执行完成，就会进行下一行执行代码，非阻塞式的。

异步、多线程

多线程，就是多个执行流，同时执行。在 C# 中多线程就是多个并发的 Thread 开启多个线程处理任务，利用的可能是 CPU 的多核，也可能是单核 CPU 分片完成执行的任务。

异步，其实是硬件式的异步，其实这个不太好理解。这里就拿文件写入来说

多线程情况，线程会一直从文件写入开始到结束，都参与工作这件事，也就是 CPU 会处理写文件操作，线程会一直等待 CPU 向磁盘写入文件直到完成。

异步情况，线程会给 CPU 发个指令与文件流交个操作系统，线程就可以忙别的事情去了，也就是利用硬件的特性，发个指令让操作系统完成文件写入，线程去执行其他任务，等 CPU 写完后发个指令回来，通知到线程。

有同学会问这个异步怎么写，其实在程序中是写不了这个的，这是操作系统底层的东西，在 WPF 里面就可以直接调用。 C# 中常说的异步多线程指的是 ThreadPool、Task ，都是基于 Thread 完成的，只是 C# 语言进行了封装的。

异步多线程效率

说起异步很多人都知道，同步方法慢，异步多线程快，这个大家心里面都是这么认为的。但效率究竟提升了多少呢

我们看下面程序，定义一个普通方法 Sum 做些 CPU 密集型运算，然后在 Main 方法，分别同步与异步，执行 Sum 方法。即同样的任务使用单线程（主线程）运行五次，再使用多线程开启 5 个线程，分别执行。

public static void Sum(int f)
{
    Console.WriteLine($"第{f}次  start：{DateTime.Now.ToLongTimeString()},Thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    decimal s = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++)
    {
        s = s + i;
    }
    Console.WriteLine($"第{f}次  end：{DateTime.Now.ToLongTimeString()},Thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
}

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"同步 start：{DateTime.Now.ToLongTimeString()},Thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        Sum(i);
    }
    Console.WriteLine($"同步 end：{DateTime.Now.ToLongTimeString()},Thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");

    Console.WriteLine();

    Console.WriteLine($"异步 start：{DateTime.Now.ToLongTimeString()},Thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        Action<int> action = Sum;
        action.BeginInvoke(i,null,null);
    }
    Console.WriteLine($"异步 end：{DateTime.Now.ToLongTimeString()},Thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");

    Console.ReadKey();
}

启动程序，可以看到，同步方法1个线程执行了 2 分 40 秒，异步方法 5 个线程执行了 52 秒，很显然异步方法快与同步方法四倍多。

说到这可能有的同学会发现，同步1个线程，异步5个线程，为什么效率不提升五倍呢，不是线性增长呢？其实，异步效率提升受限于资源限制、上下文切换成本

上面我们说过 CPU 的分时分片，即使单核也可以同时运行多个程序，那既要马儿跑得快，又要马儿不吃草，怎么可能呢，这就是上下文切换的管理成本。

资源限制，异步效率不高也可能资源不够。如下，我们启动资源管理器并启动程序，可以看到同步时 CPU 使用的资源并不高执行但时间长，当多线程时 CPU 达到了 100% 但执行时间短，也就是一种资源换时间策略。

多线程无序性

因为计算机的分时分片，会使得多线程无序。即启动无序、执行无序、结束无序。

启动无序，线程是操作系统的，C# 并没有线程，C# 需要向操作系统申请线程，假设同时或者有序向向操作系统申请线程，但操作系统并不是按顺序给线程，可能后申请的先拿到线程，也可能先申请的后拿到线程。

执行无序，程序拿到了操作系统分片的线程后，我们执行的任务运气好了可能后申请的先执行，运气差了先申请的后执行，都是非常常见的。

结束无序，这个受执行无序、分时分片运气、任务量的影响。开始执行无序已经说过；分时分片运气，当我的 CPU 执行一个任务，并不是任务执行完了才会进行上下文的切换去执行其他任务，而是可以随时暂停切换执行其他任务的；任务量就是，做的任务多少不同，即使同一时刻开始执行，完成的时间必然不一样。

扩展

1 . 同一个线程做相同的事情，耗时时间一样吗？
答案：不一样，应为CPU是分片的，运气好疯狂拿时间片，运气不好十次也拿不到。

异步多线程版本

在 .NET 中随着时间的发展，线程是有许多个版本的 1.0 Thread、2.0 TthreadPool、3.0 Task、4.0 Parallel 等，每个版本都是其特点，后面我们一一进行讲解。