[C# 筆記] 多執行緒(Thread)與非同步(async/await)

基本概念

多執行緒

執行緒可以分工加速，但多建立一條執行緒，就會消耗約 1 MB 的記憶體來配置

前景執行緒(前台線程)

• 程式必須執行完前景執行緒才會結束退出
• Thread 預設建立前景執行緒

比如：「資料的拷貝」可以使用前景執行緒

背景執行緒 (後台線程)

• 背景執行緒在程式退出時就會結束
• 背景執行緒結束時，程式並不會結束退出
• ThreadPool、Task、Parallel 預設建立背景執行緒

非同步

• 非同步目的在於增加產能而非提高效能
  • 當程式在等待時，可以先去執行另一項程式，不浪費等待時間
• 非同步不等於多執行緒
  • 多執行緒的精神為分工加速，建立多個執行緒個別處理
  • 非同步的重點在於允許執行緒在等待時間先處理其他工作
• 非同步對 I/O 相關工作較有效
  • I/O 相關工作例如 : 呼叫 API、存取資料庫
  • 要等待 I/O 回應的等待時間，可以先處理其他工作
  • 而大量消耗 CPU 的重度運算，並無等待時間，使用多執行緒較有效率

四種建立執行緒的方法

歷史演變由上而下

• Thread
• ThreadPool
• Task
• Parallel

TPL ( Task Parallel Library ) 是 .NET 4.0 中增加的平行運算函式庫，其中包含了 Task 類別與 Parallel 類別

Thread

使用 System.Threading.Thread 類別

執行不帶參數的方法

開啟執行緒

Thread thread = new Thread(new ThreadStart(Method)); //建立一條執行緒去執行 Method方法
thread.Start(); //並不是馬上執行，而是準備好被 CPU 執行，甚麼時候執行視情況而定

Method 方法

public void Method()
{
    Thread.Sleep(1000); //睡一秒。單位為毫秒
    Console.WriteLine("thread done");
}

執行帶參數的方法

開啟執行緒

Thread thread = new Thread(new ParameterizedThreadStart(Method)); //建立一條執行緒去執行 Method方法
thread.Start("thread done"); //將字串帶入Method方法

Method 方法

public void Method(string str)
{
    Thread.Sleep(1000);
    Console.WriteLine(str);
}

ThreadPool

• 使用 System.Threading.ThreadPool 類別
• 為 Thread 的升級版

執行不帶參數的方法

ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(x => Console.WriteLine("thread done")));

執行帶參數的方法

ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(x => Console.WriteLine(x)), "thread done");

與 Thread 的差別 :

• 建立執行緒
  • Thread : 每次都建立一個新的執行緒
  • ThreadPool : 會查看執行緒池，若無空閒的執行緒才建立，剛開始執行緒池是沒有執行緒的，當 ThreadPool 建立一個執行緒後，此執行緒才會加入執行緒池
• 操控執行緒的狀態
  • ThreadPool 可以操控執行緒的狀態，例如 : 等待執行緒完成、中止超時的執行緒等，Thread 則不行

Task

• 使用 System.Threading.Tasks.Task 類別
• 與 ThreadPool 是一樣使用執行緒池的

兩種建立方式

使用 Task 的 Run 方法

Task.Run(()=> {
    Console.WriteLine("thread done");
});

使用 TaskFactory 物件的 StartNew 方法

(new TaskFactory()).StartNew(() =>
{
    Console.WriteLine("thread done");
});

方法有返回值

Task<string> task = Task.Run<string>(() => {
    return "thread done";
});

Console.WriteLine(task.Result);

取消超時執行緒

//1秒後自動取消執行緒
CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource(1000);

cts.Token.Register(()=> {
    Console.WriteLine("thread cancle");
});

Task.Run(()=> {
    Console.WriteLine("thread start");
    Thread.Sleep(2000);

    if (cts.Token.IsCancellationRequested) {
        Console.WriteLine("thread stop");
        return;
    }

    Console.WriteLine("thread done");
}, cts.Token);

等待所有執行緒執行完畢

Task.WaitAll(Task1, Task2, Task3);

等待任意一個執行緒執行完畢

Task.WaitAny(Task1, Task2, Task3);

• 與 ThreadPool 差別在於 Task 在多核 CPU 時效能較優，因為 ThreadPool 使用的執行緒池是全域，會造成資源共享的競爭，且 Task 提供較豐富的 API 方法

Parallel

• 使用 System.Threading.Tasks.Parallel 類別

Parallel.Invoke()

Action[] action = new Action[] {
    ()=>Console.WriteLine($"thread：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"),
    ()=>Console.WriteLine($"thread：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"),
    ()=>Console.WriteLine($"thread：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"),
};
Parallel.Invoke(action);

Parallel.For()

ParallelLoopResult plr = Parallel.For(1, 10, (i) =>
{
    Console.WriteLine($"thread：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
});
Console.WriteLine(plr.IsCompleted);

Parallel.ForEach()

Parallel.ForEach<String>(new List<String>() {
    "a","b","c","d","e","f","g","h","i"
}, (str) =>
{
    Console.WriteLine(str);
});

與 Task 差別在於執行緒的數量控制較為簡單

使用非同步的方法

async/await

為非同步的修飾詞

• async 用來修飾方法，await 用來呼叫方法
• await 必須出現在有 async 修飾的方法中
• await 呼叫的方法可以不用 async 修飾，但返回值必須為 Task<T> 型別

async 像病毒一樣會傳染

• 當方法前加上 async 後，裡面若呼叫外部方法必須加上 await
• 此設計是為了避免同步與非同步寫法混用

將同步程式重構為非同步

• 建議採由下而上 ( Bottom-Up ) 的策略
• 若由上開始，所有呼叫到的方法都必須更改

筆記 - C# 多執行緒與非同步
C#：前台线程后台线程