.net core修行之路-多线程异步编程概念篇

在 .NET Core 中，线程（Thread）的概念是非常重要的，特别是在涉及并发和多线程编程时。理解原生线程、托管线程、线程上下文、栈空间等概念，对开发高效的多线程应用至关重要。

下面我将详细讲解这些概念：

1. 线程（Thread）

线程是程序执行的基本单位，一个程序（进程）可以包含多个线程。线程共享同一个进程的资源，比如内存地址空间和文件句柄等。在 .NET Core 中，线程可以分为原生线程和托管线程，且它们有不同的生命周期、管理方式和执行模型。

2. 原生线程（Native Thread）

原生线程是由操作系统（OS）直接管理的线程，它与操作系统的调度和管理系统紧密相关。原生线程可以直接与操作系统交互，具有较高的灵活性。操作系统在调度原生线程时负责调度、切换和管理其状态。

在 .NET Core 中，原生线程是通过 System.Threading.Thread 类创建的。当你创建一个线程时，实际上你是在创建一个原生线程。

3. 托管线程（Managed Thread）

托管线程是由 .NET 的运行时（CLR，Common Language Runtime）管理的线程。CLR 负责管理托管线程的生命周期，包括调度、垃圾回收等。托管线程使用的是托管堆，CLR 会根据需要自动管理线程的内存分配、回收等。

托管线程的优势：
- 自动内存管理：CLR 管理内存，垃圾回收机制会回收不再使用的对象和线程。
- 更简化的 API：托管线程的创建和管理相对于原生线程更简化，例如使用 Task 或 async/await 模式来处理异步任务。
与原生线程的关系：托管线程仍然依赖操作系统的原生线程进行实际执行。CLR 会通过线程池来管理这些线程，这样可以更高效地利用操作系统资源。

在 .NET Core 中，线程池中的线程通常是托管线程，通过 Task.Run 或 ThreadPool.QueueUserWorkItem 等 API 提供线程池的工作管理。

4. 线程池（Thread Pool）

线程池是一种多线程管理模式，在这种模式下，线程池会预先创建一定数量的线程，并在需要时从池中获取线程来执行任务，避免了频繁创建和销毁线程的开销。

在 .NET Core 中，线程池使用了托管线程，通常用于执行短时任务和高并发的工作，避免了线程的过度创建和销毁。

你可以通过 ThreadPool 类来操作线程池，或者更常见的是通过 Task 类来使用线程池。

5. 线程上下文（Thread Context）

线程上下文指的是一个线程在执行时所依赖的环境信息，它包括线程的栈、寄存器值、调度信息、线程的状态等。

在 .NET Core 中，线程上下文包括但不限于以下几个方面：

堆栈：线程有自己的栈空间，用于存储局部变量和调用信息。
当前执行状态：线程当前在执行代码的上下文信息（例如：指令指针）。
优先级：线程的优先级信息。
安全上下文：例如 Windows 安全性、身份验证等，涉及线程在执行期间的权限和安全性。

在 .NET 中，线程上下文通常由 CLR 管理。如果线程执行的代码需要跨越不同的执行环境（比如从不同的线程池线程切换），CLR 会自动将相关的线程上下文（比如安全上下文、同步上下文等）传递给新线程。

6. 栈空间（Stack Space）

栈空间是每个线程都有的，它用于存储线程执行过程中的局部变量、方法调用的返回地址等信息。每个线程的栈是独立的，它用于执行线程的调用链。

栈大小：每个线程的栈空间大小通常是固定的，默认情况下，栈的大小通常是 1MB，但可以在创建线程时调整栈的大小。
线程栈的特点：
- 每个线程的栈是独立的，线程之间的栈不会互相影响。
- 栈空间的大小有限，如果栈空间被耗尽（例如递归调用过深），会导致栈溢出错误（StackOverflowException）。

7. 多线程（Multithreading）

多线程编程指的是在同一进程内同时运行多个线程。每个线程都是独立的，执行不同的代码路径。在 .NET Core 中，利用多线程可以充分利用多核处理器，提高应用程序的响应能力和处理能力。

.NET Core 中的多线程编程可以通过以下几种方式实现：

System.Threading.Thread：创建原生线程，通过此类可以直接操作线程的生命周期。
Task 类：通过任务模型，使用 Task.Run 或 Task.Factory.StartNew 方法在后台线程中执行异步任务。Task 类是更高层次的抽象，通常更推荐用于多线程编程。
线程池：通过 ThreadPool 类或 Task 类实现线程池任务，避免了手动管理线程创建和销毁的开销。

8. 异步编程与多线程的区别

虽然异步编程和多线程编程都涉及并发执行，但两者的实现和工作方式不同：

多线程：通过创建多个线程并行处理多个任务，每个线程可以独立执行任务。线程之间可能需要共享资源，可能会引发同步问题。
异步编程：主要是指在单个线程上执行多个任务，但通过非阻塞方式让任务在等待时释放控制权（例如 async/await）。异步操作通常会在 IO 等耗时操作时才使用，不会像多线程那样创建多个线程。

9. 线程的调度

.NET Core 的线程调度是基于操作系统的原生线程调度的。操作系统负责将线程分配到可用的 CPU 核心上运行。线程调度的目标是尽可能公平、高效地分配 CPU 时间，避免线程饥饿（某些线程永远得不到 CPU 时间）和竞争。

.NET Core 在不同平台（如 Windows、Linux）上会使用不同的线程调度策略，通常，操作系统的调度器会根据线程的优先级、CPU 使用情况和其它因素来决定调度策略。

总结

原生线程：由操作系统管理，性能上灵活但创建销毁开销大。
托管线程：由 CLR 管理，自动内存管理，适用于大多数高层次的应用。
线程上下文和栈空间：线程的上下文包括其运行环境，栈空间则是存储线程执行过程中局部数据的地方。
多线程编程：可通过 Thread、Task 和线程池实现。异步编程是另一种不涉及多线程的并发模型。

理解这些基本概念，有助于你在 .NET Core 中编写高效的多线程程序并且合理管理线程的使用。

托管线程（Managed Thread）是 .NET 框架中的一个概念，它指的是由 .NET 的运行时环境（CLR，Common Language Runtime）管理的线程。与传统的操作系统线程（如 Windows 的线程或 Linux 的线程）不同，托管线程由 .NET 运行时创建和管理，它提供了更高层的抽象，可以帮助开发者更容易地进行多线程编程。

托管线程的特点

由 CLR 管理：托管线程是由 .NET 的垃圾回收机制、调度器和其他系统服务（如线程池）自动管理的。当你在 C# 中创建一个新线程时，CLR 会自动管理它的生命周期。开发者不需要手动管理线程的创建、调度和销毁，CLR 会自动处理这些任务。
与操作系统线程的关系：托管线程底层是通过操作系统的线程来实现的，因此它们也是操作系统线程的封装。托管线程可以运行在操作系统的线程池上，或者直接创建一个新的线程（例如，使用 Thread 类）。
线程池：在 .NET 中，线程池是一个托管线程的集合，线程池中的线程是由 CLR 动态管理的。线程池用于执行那些不需要持续运行的工作任务。通过线程池，.NET 能够重用线程，从而避免了频繁创建和销毁线程所带来的性能损耗。
同步与异步操作：托管线程是处理并发操作的基本单元。你可以在托管线程中执行同步操作，也可以在托管线程上执行异步操作（通过 async 和 await 机制）。在异步操作中，虽然操作不阻塞当前线程，但底层仍然会使用线程池中的托管线程来处理任务。

`async` 和 `await` 与托管线程

对于 async 和 await，它们并不直接创建托管线程，而是利用 任务（Task） 来管理异步操作。这些异步任务有时会在后台线程或线程池中执行，但 async 和 await 本身并不依赖于托管线程池。

具体来说，async 和 await 工作的原理可以用以下方式理解：

async 标记方法为异步方法，使得该方法返回一个 Task（或者 Task<T>）。它表示这个方法内包含可以等待的异步操作。
await 用于等待一个异步任务的完成。在等待期间，当前执行线程不会被阻塞，CLR 会去做任务调度，等待结果后继续执行后面的代码。

在异步编程中，托管线程可以用于执行那些需要等待的操作，尤其是涉及 I/O 密集型操作（比如文件读取、网络请求等）。异步操作本身并不创建新线程，而是让现有的线程去做其他事情，直到异步操作完成。

例子：托管线程与 `async`/`await` 的区别

使用 `Thread` 创建一个新线程

Thread newThread = new Thread(() =>
{// 这里执行一些任务
});
newThread.Start();

在这个例子中，我们显式创建了一个新的线程，这个线程是由操作系统创建并管理的，它属于托管线程的一部分。

使用 `Task` 和 `async`/`await`

public async Task<string> FetchDataAsync()
{var result = await httpClient.GetStringAsync("http://example.com");return result;
}

这里，FetchDataAsync 方法是异步的，虽然它可能会使用线程池中的托管线程来执行 I/O 操作（例如网络请求），但 async/await 并不直接创建线程。它只是让异步任务的执行不阻塞当前线程。

总结

托管线程 是 .NET 环境中由 CLR 管理的线程，可以是操作系统线程，也可以是线程池中的线程。
async 和 await 并不会直接创建托管线程，它们的作用是使异步操作能够在不阻塞当前线程的情况下执行，通常是在 I/O 密集型操作中使用。异步操作会在后台线程上运行，但并不是每个 await 操作都会创建新的托管线程，很多时候是依赖现有线程池中的线程来处理这些任务。

因此，async/await 让异步编程更加简洁和高效，尤其适用于 I/O 密集型任务，而托管线程则是基础设施，允许程序并发执行多个任务。