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C#并行编程（2）：.NET线程池

發布時間：2023/12/4 C# 38 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 C#并行编程（2）：.NET线程池小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

線程?Thread

在總結線程池之前，先來看一下.NET線程。

.NET線程與操作系統(Windows)線程有什么區別？

.NET利用Windows的線程處理功能。在C#程序編寫中，我們首先會新建一個線程對象System.Threading.Thread，并為其指定一個回調方法；當我們調用線程對象的Start方法啟動線程時，會創建一個操作系統線程來執行回調方法。.NET中的線程實際上等價于Windows系統線程，都是CPU調度和分配的對象。

前臺線程和后臺線程

.NET把線程分為前臺線程和后臺線程，兩者幾乎相同，唯一的區別是，前臺線程會阻止進程的正常退出，后臺線程則不會。下面用一個例子描述前、后臺線程的區別：

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();

threadDemo.RunBackgroundThread();

{
Thread.Sleep(5000);
Thread.CurrentThread.Abort();
}

Console.ReadKey();
}
}

public class ThreadDemo
{
private readonly Thread _foregroundThread;
private readonly Thread _backgroundThread;

public ThreadDemo()
{
this._foregroundThread = new Thread(WriteNumberWorker) { Name = "ForegroundThread"};
this._backgroundThread = new Thread(WriteNumberWorker) { Name = "BackgroundThread", IsBackground = true };
}

private static void WriteNumberWorker()
{
for (int i = 0; i < 20; i++)
{
Console.WriteLine($"{DateTime.Now}=> {Thread.CurrentThread.Name} writes {i + 1}.");
Thread.Sleep(500);
}
}

public void RunForegroundThread()
{
this._foregroundThread?.Start();
}

public void RunBackgroundThread()
{
this._backgroundThread?.Start();
}
}

線程池?ThreadPool

線程的創建和銷毀要耗費很多時間，而且過多的線程不僅會浪費內存空間，還會導致線程上下文切換頻繁，影響程序性能。為改善這些問題，.NET運行時（CLR）會為每個進程開辟一個全局唯一的線程池來管理其線程。

線程池內部維護一個操作請求隊列，程序執行異步操作時，添加目標操作到線程池的請求隊列；線程池代碼提取記錄項并派發給線程池中的一個線程；如果線程池中沒有可用線程，就創建一個新線程，創建的新線程不會隨任務的完成而銷毀，這樣就可以避免線程的頻繁創建和銷毀。如果線程池中大量線程長時間無所事事，空閑線程會進行自我終結以釋放資源。

線程池通過保持進程中線程的少量和高效來優化程序的性能。

C#中線程池是一個靜態類，維護兩種線程，工作線程和異步IO線程，這些線程都是后臺線程。線程池不會影響進程的正常退出。

線程池的使用

線程池提供兩個靜態方法SetMaxThreads和SetMinThreads讓我們設置線程池的最大線程數和最小線程數。最大線程數指的是，該線程池能夠創建的最大線程數，當線程數達到設定值且忙碌，異步任務將進入請求隊列，直到有線程空閑才會執行；最小線程數指的是，線程池優先嘗試以設置數量的線程處理請求，當請求數達到一定量（未做深入研究）時，才會創建新的線程。

下面的例子展示了線程池的特性及常見使用方式。

class Program
{
static void Main(string[] args)
{

RunCancellableWork();

Console.ReadKey();
}

static void RunThreadPoolDemo()
{
ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.ShowThreadPoolInfo();
ThreadPool.SetMaxThreads(100, 100);
ThreadPool.SetMinThreads(8, 8);
ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.ShowThreadPoolInfo();
ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.MakeThreadPoolDoSomeWork(100);
ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.MakeThreadPoolDoSomeIOWork();
}

static void RunCancellableWork()
{
Console.WriteLine($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] started a work");
Console.WriteLine("Press 'Esc' to cancel the work.");
Console.WriteLine();
ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.DoSomeWorkWithCancellation();
if (Console.ReadKey(true).Key == ConsoleKey.Escape)
{
ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.CTSource.Cancel();
}
}
}

public class ThreadPoolDemo
{

public static void ShowThreadPoolInfo()
{
int workThreads, completionPortThreads;

ThreadPool.GetAvailableThreads(out workThreads, out completionPortThreads);
Console.WriteLine($"GetAvailableThreads?=>?workThreads:{workThreads};completionPortThreads:{completionPortThreads}");

ThreadPool.GetMaxThreads(out workThreads, out completionPortThreads);
Console.WriteLine($"GetMaxThreads?=>?workThreads:{workThreads};completionPortThreads:{completionPortThreads}");

ThreadPool.GetMinThreads(out workThreads, out completionPortThreads);
Console.WriteLine($"GetMinThreads?=>?workThreads:{workThreads};completionPortThreads:{completionPortThreads}");
Console.WriteLine();
}

public static void MakeThreadPoolDoSomeWork(int workCount = 10)
{
for (int i = 0; i < workCount; i++)
{
int index = i;

ThreadPool.QueueUserWorkItem(s =>
{
Thread.Sleep(100);
Debug.Print($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] is running. [{index}]");
ShowAvailableThreads("WorkerThread");
});
}
}

public static void MakeThreadPoolDoSomeIOWork()
{

IList<string> uriList = new List<string>()
{
"http://news.baidu.com/",
"https://www.hao123.com/",
"https://map.baidu.com/",
"https://tieba.baidu.com/",
"https://wenku.baidu.com/",
"http://fanyi-pro.baidu.com",
"http://bit.baidu.com/",
"http://xueshu.baidu.com/",
"http://www.cnki.net/",
"http://www.wanfangdata.com.cn",
};

foreach (string uri in uriList)
{
WebRequest request = WebRequest.Create(uri);
request.BeginGetResponse(ac =>
{
try
{
WebResponse response = request.EndGetResponse(ac);
ShowAvailableThreads("IOThread");
Debug.Print($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] is running. [{response.ContentLength}]");
}
catch (Exception ex)
{
Console.WriteLine(ex.Message);
}
}, request);
}
}

private static void ShowAvailableThreads(string sourceTag = null)
{
int workThreads, completionPortThreads;
ThreadPool.GetAvailableThreads(out workThreads, out completionPortThreads);
Console.WriteLine($"{sourceTag}?GetAvailableThreads?=>?workThreads:{workThreads};completionPortThreads:{completionPortThreads}");
Console.WriteLine();
}

public static CancellationTokenSource CTSource { get; set; } = new CancellationTokenSource();

public static void DoSomeWorkWithCancellation()
{
ThreadPool.QueueUserWorkItem(t =>
{
Console.WriteLine($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] begun running. [0 - 9999]");

for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
if (CTSource.Token.IsCancellationRequested)
{
Console.WriteLine($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] recived the cancel token. [{i}]");
break;
}
Thread.Sleep(100);
}

Console.WriteLine($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] was cancelled.");
});
}
}

線程池的調度

前面提到，線程池內部維護者一個工作項隊列，這個隊列指的是線程池全局隊列。實際上，除了全局隊列，線程池會給每個工作者線程維護一個本地隊列。

當我們調用ThreadPool.QueueUserWorkItem方法時，工作項會被放入全局隊列；使用定時器Timer的時候，也會將工作項放入全局隊列；但是，當我們使用任務Task的時候，假如使用默認的任務調度器，任務會被調度到工作者線程的本地隊列中。

工作者線程優先執行本地隊列中最新進入的任務，如果本地隊列中已經沒有任務，線程會嘗試從其他工作者線程任務隊列的隊尾取任務執行，這里需要進行同步。如果所有工作者線程的本地隊列都沒有任務可以執行，工作者線程才會從全局隊列取最新的工作項來執行。所有任務執行完畢后，線程睡眠，睡眠一定時間后，線程醒來并銷毀自己以釋放資源。