C# 异步多线程入门到精通之ThreadPool篇

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启动线程池线程

ThreadPool 提供的 API 相对于 Thread 是比较少的,在 ThreadPool 中需使用 QueueUserWorkItem 方法,来启动一个线程

例如:Dosome 是个普通的方法,传入 QueueUserWorkItem 方法开启新线程执行此方法

public static void Dosome()
{
    Console.WriteLine($"Task Start ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");
}

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main 方法开始,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    ThreadPool.QueueUserWorkItem(x => Dosome());

    Console.WriteLine($"Main 方法结束,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

启动线程,可以看到新开启了一个子线程 3 执行任务,而主线程 1 并没有等待子线程 3

在这里插入图片描述

线程池线程数量

在 1.0 时代的 Thread 是没有线程数量概念的,在 ThreadPool 2.0 时代,线程池线程数量可以通过 SetMaxThreads、SetMaxThreads 方法设置最小最大线程。也可以查看线程池线程数量,以通过 GetMinThreads、GetMaxThreads 方法获取线程池最小及最大线程数量。

注意:一般不建议设置 ThreadPool 线程数量,这个操作是全局的。二般情况,当线程池线程耗尽,会造成死锁。

例如:以通过 SetMaxThreads、SetMaxThreads、GetMinThreads、GetMaxThreads 方法来操作查看线程

{
    ThreadPool.GetMinThreads(out int workerThreadsMin, out int completionPortThreadsMin);//工作线程,io线程
    Console.WriteLine($"【default】最小 workerThreadsMin:{workerThreadsMin}  completionPortThreadsMin:{completionPortThreadsMin}");

    ThreadPool.GetMaxThreads(out int workerThreadsMax, out int completionPortThreadsMax);//工作线程,io线程
    Console.WriteLine($"【default】最大 workerThreadsMax:{workerThreadsMax}  completionPortThreadsMax:{completionPortThreadsMax}");
}

ThreadPool.SetMinThreads(3, 3); // 设置4其实也不是4,应为本机为逻辑八核,最小也就是这个
ThreadPool.SetMaxThreads(7, 7);

{
    ThreadPool.GetMinThreads(out int workerThreadsMin, out int completionPortThreadsMin);//工作线程,io线程
    Console.WriteLine($"【自定义】最小 workerThreadsMin:{workerThreadsMin}  completionPortThreadsMin:{completionPortThreadsMin}");

    ThreadPool.GetMaxThreads(out int workerThreadsMax, out int completionPortThreadsMax);//工作线程,io线程
    Console.WriteLine($"【自定义】最大 workerThreadsMax:{workerThreadsMax}   completionPortThreadsMax:{completionPortThreadsMax}");
}

ThreadPool.SetMinThreads(5, 5); // 设置4其实也不是4,应为本机为逻辑八核,最小也就是这个
ThreadPool.SetMaxThreads(16, 16);

{
    ThreadPool.GetMinThreads(out int workerThreadsMin, out int completionPortThreadsMin);//工作线程,io线程
    Console.WriteLine($"【自定义】最小 workerThreadsMin:{workerThreadsMin}  completionPortThreadsMin:{completionPortThreadsMin}");

    ThreadPool.GetMaxThreads(out int workerThreadsMax, out int completionPortThreadsMax);//工作线程,io线程
    Console.WriteLine($"【自定义】最大 workerThreadsMax:{workerThreadsMax}   completionPortThreadsMax:{completionPortThreadsMax}");
}

在这里插入图片描述

线程池线程等待

看了前面 ThreadPool 相关的讲解,有小伙伴可能会发现,我们一直没有说等待线程,那 ThreadPool 有相关的 API 吗?答案:没有

但可以通过 ManualResetEvent 方式实现线程等待。一般来说不建议线程等待,二般情况也不建议。应为线程池里面,线程数量有限,写代码无意间造成的线程等待没有释放,一旦线程池线程耗尽就会形成死锁。除非非得等待情况,但记得一定要释放等待,多多检查代码。

例如:线程等待,ManualResetEvent 初始化为 false,Set() 方法会设置为 true,WaitOne() 方法会检查 ManualResetEvent 对象是否为 true,如果不为会一直等待,如果为 true 会直接过去

public static void Dosome()
{
    Console.WriteLine($"Task Start ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");
    Thread.Sleep(5 * 1000); // 模拟任务耗时
    Console.WriteLine($"Task End ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");
}

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main 方法开始,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    ManualResetEvent manualResetEvent = new ManualResetEvent(false);
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(x =>
    {
        Dosome();
        manualResetEvent.Set(); // 会变成 true
    });
    manualResetEvent.WaitOne();

    Console.WriteLine($"Main 方法结束,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

启动程序,可以看到主线程 1 等待 子线程 3 执行完成后,在执行了 Main 方法结束代码

在这里插入图片描述

例如:线程耗尽形成死锁,首先对线程池线程数量进行了限制,最大为 10 个线程。接着我们循环启动 18 个线程工作,且让前 18 个线程形成等待。

 Console.WriteLine($"Main 方法开始,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

 ThreadPool.SetMinThreads(4, 4);
 ThreadPool.SetMaxThreads(10, 10);
 ThreadPool.GetMinThreads(out int workerThreadsMin, out int completionPortThreadsMin);//工作线程,io线程
 Console.WriteLine($"【自定义】最小 workerThreadsMin:{workerThreadsMin}  completionPortThreadsMin:{completionPortThreadsMin}");
 ThreadPool.GetMaxThreads(out int workerThreadsMax, out int completionPortThreadsMax);//工作线程,io线程
 Console.WriteLine($"【自定义】最大 workerThreadsMax:{workerThreadsMax}   completionPortThreadsMax:{completionPortThreadsMax}");

 ManualResetEvent manualResetEvent = new ManualResetEvent(false);
 for (int i = 0; i < 20; i++)
 {
     int k = i;
     ThreadPool.QueueUserWorkItem((x) =>
     {
         Console.WriteLine(k);
         if (k < 18)
         {
             manualResetEvent.WaitOne();
         }
         else
         {
             manualResetEvent.Set();
         }
     });
 }
 manualResetEvent.WaitOne();

 Console.WriteLine($"Main 方法结束,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

 Console.ReadLine();

启动程序,可以看到,当开启 10 个线程后,程序就已经不再运行了。这是当程循环开启第 11 个子线程时,发现线程池里面没有线程了,就会一直等待,这样一个状态就是死锁。

C# 异步多线程入门到精通之ThreadPool篇_第1张图片

线程回调

讲到现在,细心的小伙伴会发现一直没有说线程回调,即当子线程执行一个任务完成后,再执行一个任务。其实 Thread 与 ThreadPool 都没有回调,但是可以创造出 Callback,那就是包一层,如果不行那就再包一层。

Thread

例如:创建一个普通方法 ThreadWithCallback 传入两个委托参数,一个实际任务,一个 Callback。接着在内部使用 Thread 开启一个新的线程,执行 action、callback 方法。

private static void ThreadWithCallback(Action action, Action callback)
{
    Thread thread = new Thread(() =>
    {
        action.Invoke();
        callback.Invoke();
    });
    thread.Start();
}

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main 方法开始,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    ThreadWithCallback(() =>
    {
        Console.WriteLine($"action,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");
    }, () =>
    {
        Console.WriteLine($"callback,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");
    });

    Console.WriteLine($"Main 方法结束,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

启动程序,可以看到 action 执行后,再执行了 callback

在这里插入图片描述

ThreadPool

例如:创建一个普通方法 ThreadWithCallback 传入两个委托参数,一个实际任务,一个 Callback。接着在内部使用 ThreadPool 开启一个新的线程,执行 action、callback 方法。

private static void ThreadWithCallback(Action action, Action callback)
{
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(x =>
    {
        action.Invoke();
        callback.Invoke();
    });
}

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main 方法开始,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    ThreadWithCallback(() =>
    {
        Console.WriteLine($"action,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");
    }, () =>
    {
        Console.WriteLine($"callback,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");
    });

    Console.WriteLine($"Main 方法结束,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

启动程序,可以看到 action 执行后,再执行了 callback

C# 异步多线程入门到精通之ThreadPool篇_第2张图片

线程返回值

讲到现在,细心的小伙伴会发现一直没有说线程返回值,在 1.0、2.0 时代的 Thread、ThreadPool 是没有提供相关 API 的。但是可以创造出来,还是包一层,如果不行那就再包一层。

Thread

例如:创建一个普通方法 ThreadWithReturnCallback 返回与入参都是 Func< T >,内部启用一个 Thread 执行委托,return 一个带返回值的委托且 Thread 的线程等待放置里面。使用时给 ThreadWithReturnCallback 方法传入带返回值的委托即可,因为 ThreadWithReturnCallback 方法返回值也是委托,所以要想获得结果需要在外部 Invoke 一下,这个 Invoke 操作会卡主线程。

private static Func ThreadWithReturnCallback(Func func)
{
    T t = default(T);
    Thread thread = new Thread(() =>
    {
        t = func.Invoke();
    });
    thread.Start();

    return () =>
    {
        thread.Join();
        return t;
    };
}

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main 方法开始,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Func func = ThreadWithReturnCallback(() =>
    {
        return DateTime.Now.Millisecond;
    });

    int iResult = func.Invoke();
    Console.WriteLine(iResult);

    Console.WriteLine($"Main 方法结束,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

在这里插入图片描述

ThreadPool

例如:创建一个普通方法 ThreadPoolWithReturnCallback 返回与入参都是 Func< T >,使用 QueueUserWorkItem 方法启动线程执行委托,因为 ThreadPool 本身并未提供线程等待方法,所以这里使用 ManualResetEvent 进行线程等待,return 一个带返回值的委托且 ManualResetEvent WaitOne 线程等待放置里面。使用时给 ThreadPoolWithReturnCallback 方法传入带返回值的委托即可,因为 ThreadPoolWithReturnCallback 方法返回值也是委托,所以要想获得结果需要在外部 Invoke 一下,这个 Invoke 操作会卡主线程。

private static Func ThreadPoolWithReturnCallback (Func func)
{
    T t = default(T);

    ManualResetEvent manualResetEvent = new ManualResetEvent(false);

    ThreadPool.QueueUserWorkItem(x =>
    {
        t = func.Invoke();
        manualResetEvent.Set(); // 会变成 true
    });

    return () =>
    {
        manualResetEvent.WaitOne();    
        return t;
    };
}

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main 方法开始,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Func func = ThreadPoolWithReturnCallback (() =>
    {
        return DateTime.Now.Millisecond;
    });

    int iResult = func.Invoke();
    Console.WriteLine(iResult);

    Console.WriteLine($"Main 方法结束,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

在这里插入图片描述

线程池线程重用

在 1.0 时代的 Thread 每次创建实例都会向操作系统申请线程,2.0 时代的 ThreadPool 每次使用 QueueUserWorkItem 都会向线程池拿取线程,并不会向操作系统申请线程。所以,使用 ThreadPool 创建线程的效率是高于 Thread 的。

例如:我们开启三波线程执行任务,执行相同的任务

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"Main 方法开始,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}\n");

    ThreadPool.QueueUserWorkItem(t => { Console.WriteLine($"张三,任务处理完成。ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); });
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(t => { Console.WriteLine($"李四,任务处理完成。ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); });
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(t => { Console.WriteLine($"王五,任务处理完成。ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); });
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(t => { Console.WriteLine($"麻溜,任务处理完成。ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); });

    Thread.Sleep(1000);Console.WriteLine();

    ThreadPool.QueueUserWorkItem(t => { Console.WriteLine($"张三,任务处理完成。ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); });
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(t => { Console.WriteLine($"李四,任务处理完成。ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); });
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(t => { Console.WriteLine($"王五,任务处理完成。ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); });
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(t => { Console.WriteLine($"麻溜,任务处理完成。ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); });

    Thread.Sleep(1000); Console.WriteLine();

    ThreadPool.QueueUserWorkItem(t => { Console.WriteLine($"张三,任务处理完成。ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); });
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(t => { Console.WriteLine($"李四,任务处理完成。ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); });
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(t => { Console.WriteLine($"王五,任务处理完成。ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); });
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(t => { Console.WriteLine($"麻溜,任务处理完成。ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}\n"); });

    Thread.Sleep(1000);

    Console.WriteLine($"Main 方法结束,ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId},DateTime:{DateTime.Now.ToLongTimeString()}");

    Console.ReadLine();
}

启动程序,第一波的时候启用了 3、4、6、7,第二波重用了第一波的 6、7、第三波重用了第一、第二波的 3、4、5、8。其中未重用的呢,是线程并未回收(回收需要时间),所以未重用。

C# 异步多线程入门到精通之ThreadPool篇_第3张图片

扩展知识-委托线程

委托的 BeginInvoke 方法使用的是线程池的线程,在任务执行完成后,子线程时不会被立马回收的,除非调用 EndInvoke 可以立马结束子线程回到线程池,利于线程更好的重用。

例如:BeginInvoke 线程不能立马被回收重用

static void Main(string[] args)
{
    Action action = x =>
    {
        Console.WriteLine($"我是 {x},Thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    };

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        action.BeginInvoke(i,null,null);
    }

    Console.ReadLine();
}

启动线程,并发五次,分别启用了4、5、7、8、9,五个线程

C# 异步多线程入门到精通之ThreadPool篇_第4张图片

例如:EndInvoke 线程更好重用,BeginInvoke 方法的第二个参数

static void Main(string[] args)
{
    Action action = x =>
    {
        Console.WriteLine($"我是 {x},Thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    };

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        action.BeginInvoke(i, e => { action.EndInvoke(e); }, null);
    }

    Console.ReadLine();
}

启程序,可以看到并发 5 次只使用了,线程 3 与 8。

C# 异步多线程入门到精通之ThreadPool篇_第5张图片

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