C#学习(十三)——多线程与异步

一、什么是线程

程序执行的最小单元
一次页面的渲染、一次点击事件的触发、一次数据库的访问、一次登录操作都可以看作是一个一个的进程

在一个进程中同时启用多个线程并行操作，就叫做多线程
由CPU来自动处理
线程有运行、阻塞、就绪三态

代码示例：

class Program
{static void Main(string[] args){Thread thread = new Thread(() =>{Print1();});thread.Start();for(int i = 0; i < 1000; i++){Console.Write(0);}Console.Read();}static void Print1(){for (int i = 0;i < 1000; i++){Console.Write(1);}}}

运行结果为
示例代码运行结果
可以看到，在结果中，0和1的输出是交织在一起的，原因为两个线程交替着被运行，不断反复直到结束。
另外一个常用操作为Sleep();让时间暂停，使得线程进入静默状态。

二、前台线程、后台线程与线程池托管

代码举例：

class Program
{static void Main(string[] args){Thread thread = new Thread(PrintHello);thread.Start();Console.WriteLine("退出主程序");}private static void PrintHello(object? obj){while (true){Thread.Sleep(1000);Console.WriteLine("Hello from PrintHello!");}}
}

运行会发现，即使主线程运行结束了，子线程依旧在持续运行；持续运行的子线程就称为前台线程。
一般来说，只有等待前台线程运行完毕后，程序才可以进行关闭。
与之对应的是 后台线程，可以通过thread.IsBackground = true;//切换为后台线程将前台线程切换到后台线程，这样再次运行会发现，当主线程结束后，后台线程就会被强制结束。

一般来说，前台线程用于需要时间比较长的等待业务，比如监听客户端请求，而后台线程适用于时较短的业务比如执行客户端发来的请求，后台进程不会影响程序的终止。
托管在线程池中的线程全部为后台线程。
所有使用new Thread创建的线程默认均为前台线程。

三、线程池

示例代码

for(int i = 0;i < 100; i++)
{ThreadPool.QueueUserWorkItem((o) =>{Console.WriteLine($"循环次数{i} 线程id {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");});
}

线程池执行结果
可以看到执行结果出现了id重复的状况，原因就是线程池会重复使用已经完成的线程，极大节约硬件资源。
另外，可以看到，for循环有100次，但是从输出结果来看，只执行了十几次，原因为线程池创建的线程均为后台线程，只要主程序退出，线程池的后台线程就会被停止，而主程序main执行的时间很短，因此线程池内线程没有来得及执行就被停止了。

对于重要的并发量小的线程，需要手动创建管理，对于并发量大而又不太重要的线程，最好托管到线程池中。

四、结束线程与CancellationToken

不管程序有多少个进程，进程内部的资源都是被共享的。所以C#对进程的取消代码作了更高层次的抽象，把进程的取消过程封装成为了Token的形式，也就是CancellationToken（取消令牌）。不仅可以使用在多线程中，还可以用于异步操作。

class Program
{static void Main(string[] args){CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();Thread thread = new Thread(() => { PrintHello(cts.Token); });thread.Start();//下载文件Thread.Sleep(5000);//关闭子进程//cts.Cancel();cts.CancelAfter(3000);//在下载完成后3s失效Console.WriteLine("退出主程序");}private static void PrintHello(CancellationToken tokenSource){while (!tokenSource.IsCancellationRequested){Thread.Sleep(1000);Console.WriteLine("Hello from PrintHello!");}}
}

五、Join与IsAlive

对于子线程执行时间不确定的情况，需要使用Join的方法，加入至主程序执行中，或者使用IsAlive方法进行判断

class Program
{static void Main(string[] args){Thread thread = new Thread(() => { PrintHello(); });thread.Start();//方法一//thread.Join();//方法二while(thread.IsAlive){Console.WriteLine("子线程仍在工作");Thread.Sleep(100);}Console.WriteLine("退出主程序");}private static void PrintHello(){int i = 0;while (i++ < 10){Thread.Sleep(new Random().Next(100, 1000));Console.WriteLine("Hello from PrintHello!");}}
}

六、资源竞争与线程锁lock

使用线程可以并发的在CPU的核心中执行任务，最大化CPU的利用率，但是并发执行任务也可能产生各种各样的资源竞争问题。

举例：

    private static void AddText(){File.AppendAllText(@"D:\test.txt", $"开始{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");Thread.Sleep(100);File.AppendAllText((@"D:\test.txt", $"结束{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");}

当两个线程同时需要使用同一个文件资源时，产生资源竞争，导致系统崩溃。
因此必须保证同一时刻只能有一个线程访问资源，避免出现资源恶性竞争。
使用线程锁就可以解决

class Program
{static object lockedObj = new object();static void Main(string[] args){for(int i = 0; i < 10; i++){var t = new Thread(AddText); t.Start();}Console.WriteLine("退出主程序");}private static void AddText(){lock(lockedObj){File.AppendAllText(@"D:\test.txt", $"开始{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");Thread.Sleep(100);File.AppendAllText(@"D:\test.txt", $"结束{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");}           }
}

七、异步

在之前项目中，我们实现的所有操作都是同步进行的，然而当有同时10000个请求发生时，会使得用户有很长的等待，服务器会等待数据库的响应，完成后反馈至用户。
而异步操作要实现，不要等待数据库，继续执行下一个请求，当数据返回数据以后，再回头继续处理上一个请求。
然而对于更高级别的数量请求，仅仅依靠异步也是不够的，因此需要：
异步服务+每个机器多开进程+多个机器组合实现；
K8s, Kubernetess容器化分布式部署；
.NET Core对容器化非常非常友好、支持度极高

八、异步编程Task

我们使用异步处理并行，使用多线程处理并发。

异步逻辑是要基于方法没有依赖关系的，例如

 class Program{static void Main(string[] args){Calculate();Console.Read();}static void Calculate(){//Task->异步，Thread->线程Task.Run(() =>{Calculate1();});Task.Run(() =>{Calculate2();});Task.Run(() =>{Calculate3();});}static int Calculate1(){var result = 3;Console.WriteLine($"Calculate1: {result}");Task.Delay(2000);return result;}static int Calculate2(){var result = 4;Console.WriteLine($"Calculate2: {result}");Task.Delay(3000);return result;}static int Calculate3(){var result = 5;Console.WriteLine($"Calculate3: {result}");Task.Delay(1000);return result;}}

但如果是具有依赖关系的，例如，Caculate2()需要Caculate1()的结果，Caculate3需要Caculate1()和Caculate2()的结果，那么就需要做如下调整

class Program
{static void Main(string[] args){Calculate();Console.Read();}static void Calculate(){//Task->异步，Thread->线程var task1 = Task.Run(() =>{return Calculate1();});var awaiter1 = task1.GetAwaiter();//获得异步等待对象awaiter1.OnCompleted(() =>{var result1 = awaiter1.GetResult();//获得异步逻辑的最终计算结果var task2 = Task.Run(() =>{return Calculate2(result1);});var awaiter2 = task2.GetAwaiter();awaiter2.OnCompleted(() =>{var result2 = awaiter2.GetResult();var result = Calculate3(result1, result2);Console.WriteLine(result);});});          }static int Calculate1(){var result = 3;Console.WriteLine($"Calculate1: {result}");Task.Delay(2000);return result;}static int Calculate2(int a){var result = a * 2;Console.WriteLine($"Calculate2: {result}");Task.Delay(3000);return result;}static int Calculate3(int a, int b){var result = a + b;Console.WriteLine($"Calculate3: {result}");Task.Delay(1000);return result;}
}

九、C#的异步 async/await

可以看到，上面的异步操作代码非常复杂繁琐，接下来使用async/await化解上面操作

同步方法
指程序调用某个方法，需要等待执行完成以后才进行下一步操作
异步方法
指程序调用某个方法的时候，不做任何等待，在处理完成之前就返回该方法，继续执行接下来的操作，即函数在执行完成前就可以先返回调用方，然后继续执行接下来的逻辑完成任务的函数

举例：

public async Task<int> DoSomethingAsync()
{//创建一个计算1万毫秒的任务Task<int> longRunningTask = LongRunningTaskAsync();//使用await执行这个任务int result = await longRunningTask;return result;
}
//假装计算1w毫秒，输出为1
private async Task<int> LongRunningTaskAsync()
{await Task.Delay(10000);//延迟10sreturn 1;
}

1.需要使用async关键词
2.返回类型为：void、Task、Task<T> 和 IAsyncEnumerable<T>
3.命名规范：Async结尾
4.需要有await表达式
5.要有返回值
6.async函数只能被async函数调用

共有三个部分：
第一部分异步调用：Task<int> longRunningTask = LongRunningTaskAsync();
第二部分执行异步：int result = await longRunningTask;
第三部分异步方法：private async Task<int> LongRunningTaskAsync(){}

注：

[ 在函数声明中，async关键字要放到返回类型之前 ]
[ async函数本身不创建异步操作，只有在调用await的时候才会进行异步操作 ]

下面对之前的异步代码进行优化：

class Program
{static void Main(string[] args){Calculate();Console.Read();}static async void Calculate(){var result1 = await Calculate1Async();var result2 = await Calculate2Async(result1);var result = await Calculate3Async(result1, result2);Console.WriteLine(result);          }static async Task<int> Calculate1Async(){var result = 3;Console.WriteLine($"Calculate1: {result}");await Task.Delay(2000);return result;}static async Task<int> Calculate2Async(int a){var result = a * 2;Console.WriteLine($"Calculate2: {result}");await Task.Delay(3000);return result;}static async Task<int> Calculate3Async(int a, int b){var result = a + b;Console.WriteLine($"Calculate3: {result}");await Task.Delay(1000);return result;}
}

十、Task VS. Thread

异步不是多线程！！！
异步用来处理并行，多线程用于处理并发

class Program
{static void Main(string[] args){TaskTest();ThreadTest();Console.Read();}static void TaskTest(){var sw = new Stopwatch();sw.Start();for(int i = 0; i < 100; i++){Task.Factory.StartNew(() => { });}sw.Stop();Console.WriteLine($"Task {sw.ElapsedMilliseconds}");}static void ThreadTest(){var sw = new Stopwatch();sw.Start();for (int i = 0; i < 100; i++){new Thread(() => { }).Start();}sw.Stop();Console.WriteLine($"Thread {sw.ElapsedMilliseconds}");}
}

执行结果为
Task VS. Thread执行结果
可以看到Task的执行速度要远高于Thread！
异步并不会创建线程，只是通过主线程来执行，同时开出一条分路来执行其他任务，非同步分别执行。但是在最后会创建一个非常轻量级的Worker Thread，用于通知主程序异步结束，也称为回调Call Back.