对比Java和.NET多线程编程

Posted 2021-04-01 dotNET跨平台

这篇文章以对比的方式总结Java和.NET多线程编程。

基本概念

多线程：很多开发语言都提供多线程编程支持，比如Java，C#。

并发（concurrent）：即使对于单核CPU，我们也会采用多线程等技术提高service的并发处理能力，我们经常说的高并发，就是这个意思。

并行（parallel）：多个计算机任务能够真正在同一时刻同时执行，狭义的讲，对同一台计算机，在单核CPU时代，理论上，这是不可能的；随着计算机得硬件得发展，多核CPU使得这个成为了可能。

异步（asynchronous programming）：异步编程可以基于多线程（语言层面提供的多线程），并不是一定要基于多线程，比如说nodejs，nodejs的异步编程其实是基于事件驱动和事件循环来实现的。

阻塞（blocking）/非阻塞（non-blocking）：这两个概念更多是出现在IO的场景，比如Blocking IO（BIO）和Non-blocking IO（NIO）；其实理解这两个概念，我们可以分别类比下面会提到的BlockingQueue和CompletionService。

Java

在java中，多线程编程一般有两种方式：

1. 使用最原生的API

2. 使用concurrent包提供的API

1. 使用最原生的API

启动一个线程有两种方式：继承java.lang.Thread类和实现java.lang.Runnable接口。这两个类都是从java 1.0就开始有了。

线程之间同步主要是用synchronized关键字和java.lang.Object的wait()、notify()方法。

2. 使用concurrent包提供的API

其实，concurrent包提供很多功能，比如线程池相关类、阻塞队列、集合的线程安全实现等，具体可以参考concurent包的官方文档（https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/package-summary.html）。

这里列举一些用过的concurrent包下API的典型例子：

1) 启动一个线程池，把要做的事情放到java.util.concurrent.Callable接口里面实现(Callable不同于Runnable接口的地方是，Callable可以有返回)，然后把Callable实现类提交给线程池管理，同时可以得到一个java.util.concurrent.Future，调用Future的get()方法可以获取Callable返回结果。

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
List<Future<String>> futureList = new ArrayList<Future<String>>)();for(int i = 0; i < 100; i++) { Future<String> future = threadPool.submit(new TaskCallable()); futureList.add(future);}
for(Future<String> future : futureList) { System.out.println(future.get());}
threadPool.shutdown();

如果有100个Task要执行，可以使用java.util.concurrent.CountDownLatch类来等待所有Task都执行完才做下一步操作。

2) 上面示例代码中future.get()是一个阻塞动作，如果有100个Task，有可能后面的Task先执行完，这样对后面Task结果的处理就会一直pending在前面Task的future.get()调用上。concurrent包提供了另外一个API - CompletionService，可以解决这个问题。实例代码如下：

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
CompletionService<String> completionService = new ExecutorCompletionService<String>(threadPool);
for(int i = 0; i < 100; i++) {  Future<String> future = completionService.submit(new TaskCallable());}
for(int i = 0; i < 100; i++) { String result = completionService.take().get(); System.out.println(result);}
threadPool.shutdown();

3) 控制两个线程执行顺序，一个线程等另外一个执行完之后才能继续执行，可以用java.util.concurrent.SynchronousQueue比较容易实现；而传统的做法则是采用wait/notify。其实SynchronousQueue实现了java.util.concurrent.BlockingQueue接口，这个接口还有一些其它的实现类，比如：java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue，当我们需要实现一个典型的生产者消费者模型时，就可以直接使用这个类。

4） HashMap的线程安全实现java.util.concurrent.ConcurrentHashMap。关于ConcurrentHashMap的实现原理，可以参考这篇文章（）。

5) 还有一个经常用到的就是concurrent包下面的java.util.concurrent.locks.Lock接口，这个接口有一个实现类java.util.concurrent.locks.ReentrantLock，这是一个可重入锁的实现，和上面提到的synchronized关键字的作用一样。当然，使用Lock和synchronized关键字还是有一些区别的：比如Lock可以实现公平锁，synchronized则只能是非公平锁。

6) java.util.concurrent.atomic包下面提供的原子操作类，也经常用到。当我们要实现自增长功能时，可以使用java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger类，这个类实现自增长原子操作的原理是CAS（Compare And Set）算法，而不是加锁的方式，所以在某些情况下可能会效率高一些。关于CAS算法的原理，可以参考这篇文章（）。

C# / .NET

对比Java里面的多线程编程实现方法，.NET里面基本上也都有对用的实现。

1) Java中的Thread类和Runnable接口；对应.NET里面就是System.Threading.Thread类和System.Threading.ThreadStart委托。

2) Java中线程同步主要用synchronized关键字；而.NET中则用lock关键字，但是lock关键字不能应用到方法上，如果要把同步加到方法上，可以用System.Runtime.Remoting.Context.Synchronization特性。

3) 除了上面提到的语言层面提供的关键字可以用于加锁，Java的concurrent包提供了Lock类；对应.NET就是System.Threading.Monitor类。

4) Java的concurrent包提供了一些原子操作的类，比如java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger；对应.NET里面就是System.Threading.Interlocked。

5) Java的concurrent包提供了一些集合的线程安全实现，比如java.util.concurrent.ConcurrentHashMap；在.NET里面也是类似，.NET里面的System.Collections.Concurrent这个namespace下，也提供了很多集合的线程安全实现，比如System.Collections.Concurrent.ConcurrentDictionary。

6) .NET里面使用线程池实现多线程编程例子如下（See https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.threading.threadpool?view=netcore-3.1）：

using System;using System.Threading;
public class Example { public static void Main()  { // Queue the task. ThreadPool.QueueUserWorkItem(ThreadProc); Console.WriteLine("Main thread does some work, then sleeps.");        Thread.Sleep(1000);
 Console.WriteLine("Main thread exits."); } // This thread procedure performs the task. static void ThreadProc(Object stateInfo)  { // No state object was passed to QueueUserWorkItem, so stateInfo is null. Console.WriteLine("Hello from the thread pool."); }}

7) .net 4.0新增的TAP（task-based asynchronous pattern），不需要显示操作线程（CLR负责管理线程的分配），只需要关注Task，如下：

using System;using System.Threading;using System.Threading.Tasks;
namespace ConsoleApp1{ class Program2 { static void Main(string[] args) { Console.WriteLine("current thread: " + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
 // Construct a started task using Task.Run. String taskData = "delta"; Task t3 = Task.Run(() => { Console.WriteLine("Task={0}, obj={1}, Thread={2}", Task.CurrentId, taskData, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); Thread.Sleep(1000 * 10000); }); // Wait for the task to finish. //t3.Wait(); Task t2 = Task.Run(() => { Console.WriteLine("Task={0}, obj={1}, Thread={2}", Task.CurrentId, taskData, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); }); // Wait for the task to finish. t2.Wait();
 Console.WriteLine("end"); } }}

在.net 4.5之后，又新增了async/await关键字，这种方式基于TAP，通过这种方式可以方便的实现Task完成之后的callback逻辑，比如上面例子中想在t3执行完了之后再做一些逻辑，需要调用t3.wait()，或者调用Task.WaitAll()方法。有async/await关键字之后，可以很方便的实现，如下：

using System;using System.Collections.Generic;using System.Linq;using System.Text;using System.Threading;using System.Threading.Tasks;
namespace ConsoleApp1{ class Program { static void Main(string[] args) { TestMain();        }
 static void TestMain() { Console.Out.Write("Start\n"); GetValueAsync(); Console.Out.Write("End\n"); Console.ReadKey(); }         static async Task GetValueAsync() { await Task.Run(()=> { Thread.Sleep(1000); for(int i = 0; i < 5; ++i) { Console.Out.WriteLine(String.Format("From task : {0}", i)); } }); Console.Out.WriteLine("Task End"); } }}

上面Console.Out.WriteLine("Task End");这行代码即是Task执行完成之后才执行的逻辑。这个有点像javascript里面的Promise.

8) .net 4.0里面还提供了并行编程的一些功能，比如：System.Threading.Tasks.Parallel。所谓并行编程，狭义的讲，就是说可以充分利用现在计算机CPU多核的优势，让运算任务在多个核上同时并行执行。更多的，可以参考（https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/standard/parallel-programming/）。

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