C# 异步多线程入门基础

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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。

C# 异步多线程入门基础_第1张图片

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。

C# 异步多线程入门基础_第2张图片

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

    Console.ReadKey();
}

C# 异步多线程入门基础_第3张图片

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。

C# 异步多线程入门基础_第4张图片

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。

C# 异步多线程入门基础_第5张图片

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。

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