C#多线程编程-必知必会

Posted 2022-09-26 dotNET跨平台

“发现问题的能力，运用技术解决问题的能力，是一个技术人成长的关键”

@图片故事：洋姜的花，拍摄于2022年7月23日，地点：北京奥林匹克森林公园 ，摄影师：刘先生

概要：使用C#发起多线程任务十分简单，本文旨在汇总多线程编程的注意事项，重点不在于如何发起多线程，主要内容如下：

1. 控制线程并发数量

2. 界定共享资源

3. 加锁并控制锁范围

4. 子线程异常处理

5. 未完成任务取消

   希望对小伙伴儿们有所帮助
   

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控制线程并发数量

多线程以多任务并行的方式，加快业务处理速度，但如果线程数量超出了系统的承载能力，反倒会造成系统整体性能下降，如何合理地控制线程并发数量，是多线程开发的关键。

推荐采用信号量机制，可以在线程总数未知的情况下，有效地控制并发线程数量，并且以瀑布流的形式，连续执行后续线程，逻辑清晰可控，执行性能高效。

基础代码逻辑如下：

//semaphoreCount是设定的可并行运行的最大线程数量
//taskCount是需要发起的线程的数量
using (Semaphore semaphore = new Semaphore(semaphoreCount, semaphoreCount))

    var woker = new Worker();
    Task[] tasks = new Task[taskCount];
    for (int step = 0; step < taskCount; step++)   
            
        //获取一个信号量，如果所有信号量都已使用，则等待直到一个被释放        
        semaphore.WaitOne();        
        //获得信号量之后，才能发起子线程        
        tasks[step] = Task.Factory.StartNew((data) =>  woker.Work(data); , innerData)
                                  .ContinueWith((task) =>                                  
                                                                        
                                      //线程完成，释放信号量                                      
                                      semaphore.Release();                                  
                                  );    
         
     //...

简单来说，是由于分时操作系统，多任务之间存在线程上下文切换，有兴趣的同学可以尝试一下，一次性启动2000个以上线程，查看计算机的资源耗用情况，以便有更真切的体会。

02

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界定共享资源

线程共享资源，一类是业务本身需要多个子线程共同处理的资源，另一类是从性能角度考虑，需要被多个子线程共享的资源。

以数据查询为例，数据库连接是一种昂贵的资源，如果每个子线程单独创建数据库连接，必然会造成浪费，多个线程共用一个数据库连接是更合理的选择，因此，数据库连接便是共享资源。

有兴趣的同学可以测试一下，同时启动50个以上线程，如果每个线程创建一个数据库连接，会造成数据库短时间内无法创建足够连接而报错。

03

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加锁并控制锁范围

对共享资源进行访问时，需要加锁保护，防止并发错误。

对于业务本身处理的共享资源，加锁主要是防止数据处理错误；对于集合类型的共享资源，建议首选System.Collections.Concurrent 命名空间下的集合类型，以达到线程安全的目的；对于如数据库连接之类的资源，加锁是为了防止程序异常，如数据库连接、HttpClient对象，在一个请求处理完之前，是不能被其他线程访问的，因此需要加锁，确保串行访问是必须的。

对于锁对象，推荐的写法如下，至于是不是要加static ，要看具体业务场景，静态变量的作用域是整个应用程序，如果有两个以上请求同时到达，那么在访问到加锁代码块时，请求也是串行执行的，普通变量的作用域是当前对象，锁范围也是在当前对象内，请求间相互不影响。

readonly object locker = new object();

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子线程异常处理

概括成一句话是：在明确异常处理要做什么的情况下，才进行异常处理，否则，让异常抛出，交由外层程序处理即可。参考我上一篇文章：异常处理，究竟是处理什么

多线程下异常处理的不同之处在于：子线程内的异常，不会直接抛出到主线程，而是保存在了Task对象的Exception属性中。因此，需要开发小伙伴判断线程状态，进行异常处理。

基础代码逻辑如下：

Task.Factory.StartNew((data) =>  woker.Work(data); , innerData)            
            .ContinueWith((task) =>            
                            
              //判断线程处理状态，如果执行失败，则抛出异常                
              if (task.Status == TaskStatus.Faulted)                
                                  
                  throw task.Exception;                
                    
            );

05

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未完成任务取消

当某个子线程发生异常之后，取消后续相关线程的执行，符合绝大多数业务逻辑。

取消线程操作需要用到 CancellationTokenSource 类，线程启动时，注册“取消凭证（Token）”，当某个子线程发生异常后，调用CancellationTokenSource的Cancel()方法，通知相关线程取消操作。以后会写一篇CancellationToken的详细介绍。

基础代码逻辑如下：

//声明 CancellationTokenSource
using (CancellationTokenSource cancellation = new CancellationTokenSource())

    Task[] tasks = new Task[taskCount];
    for (int step = 0; step < steps; step++)
    
        semaphore.WaitOne();
        //注册cancellation.Token
        tasks[step] = Task.Factory.StartNew((data) =>  woker.Work(data); , innerData, cancellation.Token)
                                .ContinueWith((task) =>
                                
                                    if (task.Status == TaskStatus.Faulted)
                                    
                                        //通知取消任务
                                        cancellation.Cancel(true);
                                        throw task.Exception;
                                    
                                    semaphore.Release();
                                );
    

有多线程开发经历的小伙伴，可以看一下自己的代码，是否有对以上几点的处理。以上内容均来自于我个人的经验总结，如有疏漏，欢迎小伙伴补充指正。

最后，说一下对于多线程的认识，了解二次元的小伙伴应该知道一个词：“结界”，线程与结界有很多相似之处，一个子线程就相当于一个结界，结界内外虽处于同一空间，但却属于不同的世界，结界阻断了结界内外的联系，但又可以相互作用，更多相似处，小伙伴们自己体会。

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