前言

最近在看代码的过程中，发现有很多地方涉及到多线程、异步编程，这是比较重要且常用的知识点，而本人在这方面还理解尚浅，因此开始全面学习C#中的多线程，全文内容摘抄自一位前辈的网站：网址链接
本人在个别地方做了一些便于个人理解的修改。

1. 基础知识

1.简介及概念

C# 支持通过多线程并行执行代码，线程有其独立的执行路径，能够与其它线程同时执行。

一个 C# 客户端程序（Console 命令行、WPF 以及 Windows Forms）开始于一个单线程，这个线程（也称为“主线程”）是由 CLR 和操作系统自动创建的，并且也可以再创建其它线程。以下是一个简单的使用多线程的例子：

主线程创建了一个新线程t来不断打印字母 “ y “，与此同时，主线程在不停打印字母 “ x “。

namespace App
{
    class ThreadTest
    {
        static void Main()
        {
            Thread t = new Thread(WriteY);  // 创建新线程
            t.Start();                       // 启动新线程，执行WriteY()

            // 同时，在主线程做其它事情
            for (int i = 0; i < 1000; i++)
            {
                Console.Write("x");
            }
               
        }
        static void WriteY()
        {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) Console.Write("y");
        }
    }
}

输出结果：

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxyyyyyxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyxxyyyyyxxxxxxxxxxxxxxxyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyy

线程一旦启动，线程的IsAlive属性值就会为true，直到线程结束。当传递给Thread的构造方法的委托执行完成时，线程就会结束。一旦结束，该线程不能再重新启动。

CLR 为每个线程分配各自独立的栈空间，因此局部变量是独立的。在下面的例子中，我们定义一个拥有局部变量的方法，然后在主线程和新创建的线程中同时执行该方法。

namespace App
{
    class ThreadTest
    {
        static void Main()
        {
            new Thread(Go).Start();      // 在新线程执行Go()
            Go();                         // 在主线程执行Go()
        }

        static void Go()
        {
            // 定义和使用局部变量 - 'cycles'
            for (int cycles = 0; cycles < 5; cycles++)
            {
                Console.Write("?");
            }
               
        }
    }
}

输出结果：

??????????

变量cycles的副本是分别在各自的栈中创建的，因此才会输出 10 个问号。

线程可以通过对同一对象的引用来共享数据。例如：

namespace App
{
    class ThreadTest
    {
        bool done;

        static void Main()
        {
            ThreadTest tt = new ThreadTest();   // 创建一个公共的实例
            new Thread(tt.Go).Start();
            tt.Go();
        }

        // 注意： Go现在是一个实例方法
        void Go()
        {
            if (!done)
            { 
                done = true;
                Console.WriteLine("Done");
            }
        }
    }
}

输出结果：

Done 

由于两个线程是调用了同一个的ThreadTest实例上的Go()，它们共享了done字段，因此输出结果是一次 “ Done “，而不是两次。

像下面这种情况就会打印两次“Done”：

namespace App
{
    class ThreadTest
    {
        bool done;

        static void Main()
        {
            ThreadTest tt = new ThreadTest();   // 创建一个公共的实例
            new Thread(new ThreadTest().Go).Start();
            tt.Go();
        }

        // 注意： Go现在是一个实例方法
        void Go()
        {
            if (!done)
            { 
                done = true;
                Console.WriteLine("Done");
            }
        }
    }
}

输出结果：

Done
Done

静态字段提供了另一种在线程间共享数据的方式，以下是一个静态的done字段的例子：

namespace App
{
    class ThreadTest
    {
        static bool done;    // 静态字段在所有线程中共享

        static void Main()
        {
            new Thread(Go).Start();
            Go();
        }

        static void Go()
        {
            if (!done)
            {
                done = true;
                Console.WriteLine("Done");
            }
         
        }
    }
}

输出结果：

Done 

以上两个例子引出了一个关键概念线程安全（thread safety）。上述两个例子的输出实际上是不确定的：” Done “ 有可能会被打印两次。如果在Go方法里调换指令的顺序，” Done “ 被打印两次的几率会大幅提高：

namespace App
{
    class ThreadTest
    {
        static bool done;    // 静态字段在所有线程中共享

        static void Main()
        {
            new Thread(Go).Start();
            Go();
        }

        static void Go()
        {
            if (!done)
            {
                Console.WriteLine("Done");
                done = true;       
            }
         
        }
    }
}

输出结果：

Done
Done

这个问题是因为一个线程对if中的语句估值的时候，另一个线程正在执行WriteLine语句，这时done还没有被设置为true。

修复这个问题需要在读写公共字段时，获得一个排它锁（互斥锁，exclusive lock ）。C# 提供了lock来达到这个目的：

namespace App
{
    class ThreadSafe
    {
        static bool done;
        static readonly object locker = new object();

        static void Main()
        {
            new Thread(Go).Start();
            Go();
        }

        static void Go()
        {
            lock (locker)
            {
                if (!done)
                { 
                    Console.WriteLine("Done");
                    done = true; 
                }
            }
        }
    }
}

输出结果：

Done 

当两个线程同时争夺一个锁的时候（例子中的locker），一个线程等待，或者说阻塞，直到锁变为可用。这样就确保了在同一时刻只有一个线程能进入临界区（critical section，不允许并发执行的代码），所以 “ Done “ 只被打印了一次。像这种用来避免在多线程下的不确定性的方式被称为线程安全（thread-safe）。

在线程间共享数据是造成多线程复杂、难以定位的错误的主要原因。尽管这通常是必须的，但应该尽可能保持简单。

一个线程被阻塞时，不会消耗 CPU 资源。

1.1Join 和 Sleep

可以通过调用Join方法来等待另一个线程结束，例如：

namespace App
{
    class ThreadSafe
    {
        private static void Method()
        {
            Thread.Sleep(5000);
            Console.WriteLine("当前线程：" + Thread.CurrentThread.Name);
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            Thread.CurrentThread.Name = "MainThread";

            Thread thread = new Thread(Method);
            thread.Name = "Thread";
            thread.Start();
            //会阻止主线程，直到thread线程终结（线程方法返回或线程遇到异常）
            //输出：当前线程：Thread
            //      主线程：MainThread
            //可以注销此句对比输出结果
            thread.Join();

            Console.WriteLine("主线程：" + Thread.CurrentThread.Name);

            Console.Read();
        }
    }
}

输出结果：

当前线程：Thread
主线程：MainThread

程序运行后，会先等待5秒，然后打印“当前线程：Thread”，然后再打印：“主线程：MainThread”。如果把 thread.Join()注销后，会打印不一样的结果，代码如下：

namespace App
{
    class ThreadSafe
    {
        private static void Method()
        {
            Thread.Sleep(5000);
            Console.WriteLine("当前线程：" + Thread.CurrentThread.Name);
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            Thread.CurrentThread.Name = "MainThread";

            Thread thread = new Thread(Method);
            thread.Name = "Thread";
            thread.Start();
            //会阻止主线程，直到thread线程终结（线程方法返回或线程遇到异常）
            //输出：当前线程：Thread
            //      主线程：MainThread
            //可以注销此句对比输出结果
            //thread.Join();

            Console.WriteLine("主线程：" + Thread.CurrentThread.Name);

            Console.Read();
        }
    }
}

输出结果：

主线程：MainThread
当前线程：Thread

程序运行后，会先打印：“主线程：MainThread”，然后等待5秒，然后打印“当前线程：Thread”。

Thread.Sleep会将当前的线程阻塞一段时间：

Thread.Sleep (TimeSpan.FromHours (1));  // 阻塞 1小时
Thread.Sleep (500);                     // 阻塞 500 毫秒

当使用Sleep或Join等待时，线程是阻塞（blocked）状态，因此不会消耗 CPU 资源。

Thread.Sleep(0)会立即释放当前的时间片，将 CPU 资源出让给其它线程。Framework 4.0 新的Thread.Yield()方法与其相同，除了它只会出让给运行在相同处理器核心上的其它线程。

Sleep(0)和Yield在调整代码性能时偶尔有用，它也是一个很好的诊断工具，可以用于找出线程安全（thread safety）的问题。如果在你代码的任意位置插入Thread.Yield()会影响到程序，基本可以确定存在 bug。

1.2线程是如何工作的

线程在内部由一个线程调度器（thread scheduler）管理，一般 CLR 会把这个任务交给操作系统完成。线程调度器确保所有活动的线程能够分配到适当的执行时间，并且保证那些处于等待或阻塞状态（例如，等待排它锁或者用户输入）的线程不消耗CPU时间。

在单核计算机上，线程调度器会进行时间切片（time-slicing），快速的在活动线程中切换执行。在 Windows 操作系统上，一个时间片通常在十几毫秒（译者注：默认 15.625ms），远大于 CPU 在线程间进行上下文切换的开销（通常在几微秒区间）。

在多核计算机上，多线程的实现是混合了时间切片和真实的并发，不同的线程同时运行在不同的 CPU 核心上。几乎可以肯定仍然会使用到时间切片，因为操作系统除了要调度其它的应用，还需要调度自身的线程。

线程的执行由于外部因素（比如时间切片）被中断称为被抢占（preempted）。在大多数情况下，线程无法控制其在何时及在什么代码处被抢占。

1.3线程 vs 进程

好比多个进程并行在计算机上执行，多个线程是在一个进程中并行执行。进程是完全隔离的，而线程是在一定程度上隔离。一般的，线程与运行在相同程序中的其它线程共享堆内存。这就是线程为何有用的部分原因，一个线程可以在后台获取数据，而另一个线程可以同时显示已获取到的数据。

1.4线程的使用与误用

多线程有许多用处，下面是通常的应用场景：

• 维持用户界面的响应
  使用工作线程并行运行时间消耗大的任务，这样主UI线程就仍然可以响应键盘、鼠标的事件。

• 有效利用 CPU
  多线程在一个线程等待其它计算机或硬件设备响应时非常有用。当一个线程在执行任务时被阻塞，其它线程就可以利用这个空闲出来的CPU核心。

• 并行计算
  在多核心或多处理器的计算机上，计算密集型的代码如果通过分治策略（divide-and-conquer，见第 5 部分）将工作量分摊到多个线程，就可以提高计算速度。

• 推测执行（speculative execution）
  在多核心的计算机上，有时可以通过推测之后需要被执行的工作，提前执行它们来提高性能。LINQPad就使用了这个技术来加速新查询的创建。另一种方式就是可以多线程并行运行解决相同问题的不同算法，因为预先不知道哪个算法更好，这样做就可以尽早获得结果。

• 允许同时处理请求
  在服务端，客户端请求可能同时到达，因此需要并行处理（如果你使用 ASP.NET、WCF、Web Services 或者 Remoting，.NET Framework 会自动创建线程）。这在客户端同样有用，例如处理 P2P 网络连接，或是处理来自用户的多个请求。

多线程同样也会带来缺点，最大的问题是它提高了程序的复杂度。使用多个线程本身并不复杂，复杂的是线程间的交互（一般是通过共享数据）。无论线程间的交互是否有意为之，都会带来较长的开发周期，以及带来间歇的、难以重现的 bug。因此，最好保证线程间的交互尽量少，并坚持简单和已被证明的多线程交互设计。这篇文章主要就是关于如何处理这种复杂的问题，如果能够移除线程间交互，那会轻松许多。

一个好的策略是把多线程逻辑使用可重用的类封装，以便于独立的检验和测试。.NET Framework 提供了许多高层的线程构造，之后会讲到。

当频繁地调度和切换线程时（并且如果活动线程数量大于 CPU 核心数），多线程会增加资源和 CPU 的开销，线程的创建和销毁也会增加开销。多线程并不总是能提升程序的运行速度，如果使用不当，反而可能降低速度。 例如，当需要进行大量的磁盘 I/O 时，几个工作线程顺序执行可能会比 10 个线程同时执行要快。（在使用 Wait 和 Pulse 进行同步中，将会描述如何实现 生产者 / 消费者队列，它提供了上述功能。）

2创建和启动线程

像我们在简介中看到的那样，使用Thread类的构造方法来创建线程，通过传递ThreadStart委托来指明线程从哪里开始运行，下面是ThreadStart委托的定义：

public delegate void ThreadStart();

调用Start方法后，线程开始执行，直到它所执行的方法返回后，线程终止。下面这个例子使用完整的 C# 语法创建TheadStart委托：

class ThreadTest
{
  static void Main()
  {
    Thread t = new Thread (new ThreadStart (Go));
    t.Start();   // 在新线程运行 GO()
    Go();        // 同时在主线程运行 GO()
  }

  static void Go()
  {
    Console.WriteLine ("hello!");
  }
}

输出结果：

hello!
hello!

在这个例子中，线程t执行Go()方法，几乎同时主线程也执行Go()方法，结果将打印两个 hello。

线程也可以使用更简洁的语法创建，使用方法组（method group），让 C# 编译器推断ThreadStart委托类型：

Thread t = new Thread (Go);    // 无需显式使用 ThreadStart

另一个快捷的方式是使用 lambda 表达式或者匿名方法：

static void Main()
{
  Thread t = new Thread ( () => Console.WriteLine ("Hello!") );
  t.Start();
}

2.1向线程传递数据

向一个线程的目标方法传递参数最简单的方式是使用 lambda 表达式调用目标方法，在表达式内指定参数:

namespace App
{
    class ThreadTest
    {
        static void Main()
        {
            Thread t = new Thread(() => Print("Hello from t!"));
            t.Start();
        }

        static void Print(string message)
        {
            Console.WriteLine(message);
        }
    }
}

输出结果：

Hello from t!

使用这种方式，可以向方法传递任意数量的参数。甚至可以将整个实现封装为一个多语句的 lambda 表达式：

new Thread (() =>
{
  Console.WriteLine ("I'm running on another thread!");
  Console.WriteLine ("This is so easy!");
}).Start();

另一个方法是向Thread的Start方法传递参数：

namespace App
{
    class ThreadTest
    {
        static void Main()
        {
            Thread t = new Thread(Print);
            t.Start("Hello from t!");
        }

        static void Print(object messageObj)
        {
            string message = (string)messageObj;    // 需要强制类型转换
            Console.WriteLine(message);
        }
    }
}

输出结果：

Hello from t!

可以这样是因为Thread的构造方法通过重载来接受两个委托中的任意一个：

public delegate void ThreadStart();
public delegate void ParameterizedThreadStart (object obj);

ParameterizedThreadStart的限制是它只接受一个参数。并且由于它是object类型，通常需要类型转换。

Lambda 表达式与被捕获变量： 如我们所见，lambda 表达式是向线程传递数据的最强大的方法。然而必须小心，不要在启动线程之后误修改被捕获变量（captured variables）。例如，考虑下面的例子：

namespace App
{
    class ThreadTest
    {
        static void Main()
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                new Thread(() => Console.Write(i)).Start();
            }      
        }
    }
}

输出结果是不确定的！可能是这样0223557799。

问题在于变量i在整个循环中指向相同的内存地址。所以，每一个线程在调用Console.Write时，都在使用这个值在运行时会被改变的变量！

解决方法就是使用临时变量，如下所示：

namespace App
{
    class ThreadTest
    {
        static void Main()
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                // new Thread(() => Console.Write(i)).Start();
                var temp = i;
                new Thread(() => { Console.WriteLine(temp); }).Start();
            }      
        }
    }
}

输出结果：

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

变量temp对于每一个循环迭代是局部的。所以，每一个线程会捕获一个不同的内存地址，从而不会产生问题。我们可以使用更为简单的代码来演示前面的问题：

namespace App
{
    class ThreadTest
    {
        static void Main()
        {
            string text = "t1";
            Thread t1 = new Thread(() => Console.WriteLine(text));

            text = "t2";
            Thread t2 = new Thread(() => Console.WriteLine(text));

            t1.Start();
            t2.Start();
        }
    }
}

输出结果：

t2
t2

2.2线程命名

每一个线程都有一个 Name 属性，我们可以设置它以便于调试。这在 Visual Studio 中非常有用，因为线程的名字会显示在线程窗口（Threads Window）与调试位置（Debug Location）工具栏上。线程的名字只能设置一次，以后尝试修改会抛出异常。

静态的Thread.CurrentThread属性会返回当前执行的线程。在下面的例子中，我们设置主线程的名字：

namespace App
{
    class ThreadNaming
    {
        static void Main()
        {
            Thread.CurrentThread.Name = "main";
            Thread worker = new Thread(Go);
            worker.Name = "worker";
            worker.Start();
            Go();
        }

        static void Go()
        {
            Console.WriteLine("Hello from " + Thread.CurrentThread.Name);
        }
    }
}

输出结果也不是唯一的，有两种，具体要看系统对线程的调度情况：
结果1：

Hello from main
Hello from worker

结果2：

Hello from worker
Hello from main

2.3前台与后台线程

默认情况下，显式创建的线程都是前台线程（foreground threads）。只要有一个前台线程在运行，程序就可以保持存活，而后台线程（background threads）并不能保持程序存活。当一个程序中所有前台线程停止运行时，仍在运行的所有后台线程会被强制终止。

线程的前台/后台状态与它的优先级和执行时间的分配无关。

可以通过线程的IsBackground属性来查询或修改线程的前后台状态。如下面的例子：

class PriorityTest
{
  static void Main (string[] args)
  {
    Thread worker = new Thread ( () => Console.ReadLine() );
    if (args.Length > 0) worker.IsBackground = true;//IsBackground = true表示把该线程设置为后台线程
    worker.Start();
  }
}

如果这个程序以无参数的形式运行，工作线程会默认为前台，并在ReadLine时等待用户输入回车。此时主线程退出，但是程序仍然在运行，因为有一个前台线程依然存活。

相反，如果给Main()传递了参数，工作线程设置为后台状态，当主线程结束时，程序几乎立即退出（终止ReadLine需要一咪咪时间）。

当进程以这种方式结束时，后台线程执行栈中所有finally块就会被避开。如果程序依赖finally（或是using）块来执行清理工作，例如释放资源或是删除临时文件，就可能会产生问题。为了避免这种问题，在退出程序时可以显式的等待这些后台线程结束。有两种方法可以实现：

• 如果是自己创建的线程，在线程上调用Join方法。
• 如果是使用线程池线程，使用事件等待句柄。

在任一种情况下，都应指定一个超时时间，从而可以放弃由于某种原因而无法正常结束的线程。这是后备的退出策略：我们希望程序最后可以关闭，而不是让用户去开任务管理器。

如果用户使用任务管理器强行终止了 .NET 进程，所有线程都会被当作后台线程一般丢弃。这是通过观察得出的结论，并不是通过文档，而且可能会因为 CLR 和操作系统的版本不同而有不同的行为。

前台线程不需要这种处理，但是必须小心避免会使线程无法结束的 bug。程序无法正常退出的一个很有可能的原因就是仍有前台线程存在。

2.4线程优先级