專欄作品 .NET 框架與多線程
袁劍

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.NET 框架與多線程 本文發表在《程序春秋》2003年12期 摘要 本文介紹了.NET框架的基本概念并簡要的描述了如何利用.NET框架編寫多線程程序。 目錄 ? 概述 ? 功能特性 ? 編程模型 ? 線程概述 ? 線程控制 ? 線程同步 概述 Microsoft.NET代表了一個集合、一個環境、一個可以作為平臺支持下一代Internet的可編程結構，它通過使用HTTP，XML等標準，使得各個系統平臺間互操作性成為現實，Microsoft.NET最重要部分是.NET框架，.NET框架是一種新的計算平臺，它簡化了在高度分布式Internet環境中的應用程序開發，它支持超過20種不同的編程語言，它幫助開發人員把精力集中在實現商業邏輯的核心上，使開發人員的經驗在面對類型大不相同的應用程序（如基于 Windows 的應用程序和基于 Web 的應用程序）時保持一致，在未來的版本中甚至僅僅在程序發布時才需要指定發布的類型（作為Win Form還是Web Form）。 如上圖，.NET框架由2部分組成：公共語言運行時（CLR：是.NET開發人員的源代碼和硬件底層之間的 中間媒介，所有的.NET 代碼都在CLR中運行）和框架類庫（FCL：包括數據訪問組件、基礎類庫以及WebForm、WinForm、Web Services模板）。 功能特性 CLR和FCL緊密結合在一起，提供了不同系統之間交叉與綜合的解決方案與服務，創造了可控的、安全的、功能豐富的應用開發環境，以下是它們提供的部分功能。 一次運行，總能運行 所有的開發人員幾乎都知道“Dll Hell”版本控制問題（當新安裝的應用程序的組件覆蓋舊有應用程序的組件時，導致舊有程序無法正常運行）。為了徹底消除“DLL Hell”現象，.NET框架的結構已與應用程序組件隔離，應用程序運行時必須加載生成時所用到的組件以確保應用程序總是能正常運行。 簡化部署 在.NET框架里軟件安裝的方式是XCOPY，如同在DOS下一樣，只需要將應用程序復制到某個目錄就完成了安裝，卸載應用程序只需要刪除目錄。 自動內存管理 對于托管資源您再也不必在類里寫析構函數（Finalize）進行清理，垃圾管理（GC）可以自動跟蹤資源使用，確保不會產生資源泄漏，實際上GC對Finalize的調用時間和次序是不確定的。但是微軟建議用戶一定要記得在Dispose 方法里釋放非托管資源如數據庫連接、文件等。 類型安全 每個對象都是單根繼承自Object（注：也有人認為是繼承自Iobject接口）以確保在運行時可以通過調用GetType方法可以確定對象的類型，通常強制轉換為基類型被認為是安全的隱式轉換。CLR可以驗證所有代碼是否類型安全，類型安全能確保總是以兼容的方式訪問被分配對象。 編程模型 以前在Windows平臺下進行軟件開發的C++開發人員大多使用的是微軟基礎類庫（MFC）或者Win32 APIs，Visual Basic用戶使用的是Visual Basic API，Delphi用戶使用的是Borland公司的VCL，Java用戶使用JDK，彼此之間很難兼容、相互調用，軟件開發人員有時也難以取舍，而.NET框架統一了當前各種不同的架構，.NET框架為開發人員提供了一個統一的、面向對象的、層次化的、可擴展的框架類庫――FCL，開發人員不再需要學習多種架構只須學習.NET框架就能靈活的采用各種不同的編程語言進行開發，.NET框架還實現了跨語言的繼承、錯誤處理、調試。 在.NET框架里從C#，VB.NET，J#到C++的所有編程語言都是相互平等的，開發人員可以自由選擇自己喜歡的語言，如下不同語言的程序代碼： C#： class Hello { static void Main()//程序的出口點 { System.Console.Write( "Hello, World!" );//輸出Hello, World! } } VB.NET： Module Hello Sub Main() '程序的出口點 System.Console.Write( "Hello, World!" ) '輸出Hello, World! End Sub End Module 在編譯器上最終生成的都是如下的IL（中間語言）代碼： IL_0000: ldstr "Hello, World!" IL_0005: call void [mscorlib]System.Console::Write(string) IL_000a: ret IL是CLR唯一理解的編程語言，所有的編譯器都將源代碼編譯成IL，IL再被CLR處理。 輸出的結果是非常熟悉的：Hello, World!。 在.NET框架下您不僅可以開發傳統的基于Windows平臺下的應用，您還可以開發基于Smart Phone、Pocket PC、Tablet PC等等平臺下的應用。 .NET框架提供了強有力的編程模板，可以隨心所欲的編寫WinForm、WebForm、WebService等類型的程序，這些類型的程序的開發方式與以往有很大的不同，功能也比以往大大加強。其中“最有可能改變世界”的（注：Jeff Prosise語），最令人驚奇的應該是Web Form（ASP.NET）。多線程、GDI+、設計模式、Cache、異常等等這些在以前的Web程序里不敢想象或者很難實現的功能在.NET框架下變得如此的垂手可得。 ASP.NET幾乎天生就是基于MVC模式的，它利用Code-Behind技術輕而易舉的把頁面（View）和代碼（Model && Control）分離，再加上Page Controller，Distributed，Services等模式，可以把程序結構從傳統的3層擴充到4層、5層甚至更多層，充分滿足開發大型企業級應用的需要（以后有機會將向大家展示ASP.NET結合模式開發令人激動的一面）。利用多線程和GDI+技術可以一邊顯示文字內容、一邊從遠程抓取圖片并把圖片變換為適當的形式（如轉換為PNG格式，在圖片上記錄版權信息）顯示給用戶，效率比以往大大提高。 對于相當多的人來說，開發多線程程序是一個相當大的挑戰，但.NET框架已對其進行了相當程度的簡化，本文的后面部分將向您介紹多線程編程的基礎知識，并提供一些用于試驗的示例代碼。相信您在看了之后會迅速掌握。 為了便于講解，示例代碼采用的是控制臺程序。 線程概述 線程是CPU時間片分配的單位，不同的線程可以具有不同的優先級，每個進程至少會有一個主線程。在.NET框架中最基本的執行單元是線程，托管代碼是以單線程開始執行的，但在執行期間可以產生附加的線程來幫助完成指定的任務。線程分為前臺線程（所有前臺線程都必須退出之后，當前進程才能退出）和后臺線程（進程隨時可以退出，不等待后臺線程退出）。 對于耗時非常長而又不想堵塞界面的操作、服務器端的應用、同時支持多用戶并發的環境或者發揮多處理器的作用的時候都應該考慮使用多線程，但是使用線程需要非常謹慎地分析同步情況和線程調度本身的開銷。 線程控制 線程控制包括線程啟動、掛起、恢復、休眠、終止等，在下面的這個列子里將會對線程控制做一個大體描述。 public class MyThread { public static void Work() { try { for( int i = 0; i < 4; i++ ) { Console.WriteLine( Thread.CurrentThread.Name + "正在計算" + i.ToString() ); Thread.Sleep( 50 ); } } catch( ThreadAbortException e ) { Console.WriteLine( "錯誤信息：{0}", e.Message ); Thread.ResetAbort();//取消主線程要求中止的請求，如不執行則ThreadAbortException會在catch塊末端再次引發 } Console.WriteLine( Thread.CurrentThread.Name + "完成工作！" ); } } class ThreadAbortTest { public static void Main() { Console.WriteLine( "主線程啟動！"); Thread thread = new Thread( new ThreadStart( MyThread.Work ) );//MyThread.Work代表要執行的線程函數，它可以是靜態的，也可以是某個類實例的方法，它是要執行的線程函數的委托 thread.Name = "MyThread"; thread.Start();//線程啟動后將被CPU調度，但不一定是馬上執行，所以同樣的例子在不同的機器上可能會有不同的結果。 Console.WriteLine( "主線程第一次休眠！"); Thread.Sleep( 100 ); Console.WriteLine( "MyThread被掛起！"); thread.Suspend();//掛起子線程 Console.WriteLine( "主線程第二次休眠！"); Thread.Sleep( 100 ); Console.WriteLine( "MyThread被恢復！"); thread.Resume();//恢復子線程 thread.Abort();//終止子線程 thread.Join();//直到到子線程完全終止了，主線程才繼續運行 Console.WriteLine( "主線程終止！" ); Console.ReadLine(); } } 程序啟動后會創建一個名為MyThread的輔助線程并通過調用thread.Start啟動它，然后調用Thread.Sleep( 100 )休眠100微妙，這時輔助線程一直在運行，接下來主線程調用thread.Suspend掛起輔助線程并再休眠100微妙后再調用Thread.Sleep恢復輔助線程，在被掛起和被恢復這段時間內輔助線程被阻塞，緊跟著主線程執行thread.Abort方法終止輔助線程并執行thread.Join等待輔助線程結束，在輔助線程接收到終止請求時它已經工作并又執行了一次循環，輔助線程捕捉到主線程要求終止的異常，執行Thread.ResetAbort退出循環以便執行清理工作。從上面的例子可以清晰的看出控制并發線程整個的過程。運行結果如下圖2所示：
線程同步 啟動線程很容易，但是讓他們協調工作卻很難，設計一個多線程的程序時最難的就是計算出并發的線程會在哪里沖突并用同步邏輯來阻止沖突的發生。 .NET框架提供了下面的幾個線程同步類： ? AutoResetEvent：阻塞線程直到另一個線程設置事件 ? Interlocked：以線程安全的方式進行簡單操作、如遞增或遞減整數 ? ManualResetEvent：阻塞一個或多個線程直到另一個線程設置事件 ? Monitor：防止一個以上的線程同時訪問一個資源 ? Mutex：防止一個或多個以上的線程同時訪問一個資源，并能跨越應用程序或進程的邊界 ? ReaderWriterLock：使多個線程可以同時讀取一個資源，但不允許重疊的讀寫或寫操作 在以上幾個類里面我們用得最多是Monitor，下面將重點對Monitor類進行講解： Monitor的幾個重要的方法： ? Enter：在訪問資源前調用并在該資源上聲明一個鎖以判斷是否該資源被其他資源所占用，如果是則該線程被阻塞直到可以獲得該資源為止。 ? Exit：在訪問完該資源后調用以釋放對資源的鎖便于其他線程訪問。 ? Wait：暫時放棄調用線程對該資源的鎖。 ? Pluse：通知在Wait中阻塞的線程，使得下一個等待線程在當前線程釋放鎖后可以運行。 在C#里有lock關鍵字以取代Monitor的Enter和Exit，在功能上 lock ( SomeResource ) { //您的處理代碼 } 等價于： Monitor.Enter( SomeResource ); try { //您的處理代碼 } finally { Monitor.Exit( ); } 下面的例子向您具體演示一下怎樣用Monitor實現生產者－消費者的問題。表面上看來每個時刻只有一個方法可以執行，但是它們卻是并發執行的。首先是Producer得到了鎖，他通過調用Monitor.Wait阻塞自身，這時Consumer得到了鎖，Consumer調用Monitor.Pulse使得Producer處于準備執行狀態，然后Consumer調用Monitor.Wait阻塞自身，這時Producer從Wait調用中醒來，生成一個資源放入隊列中，調用Monitor.Pulse使得Consumer從Wait調用中醒來，Consumer從隊列中取得資源，接下來Consumer通過調用Monitor.Pulse和Monitor.Wait使得整個進程繼續下去。 class MonitorSample { private Queue _queue = new Queue(); public void Producer() { int counter = 0; lock( _queue )//判斷該資源是否被其他線程占用 { while( counter < 2 ) { Monitor.Wait( _queue );//暫時放棄調用線程對該資源的鎖，讓Consumer執行 _queue.Enqueue( counter );//生成一個資源 Console.WriteLine( String.Format( "生產：{0}", counter ) ); Monitor.Pulse( _queue );//通知在Wait中阻塞的Consumer線程即將執行 counter++; } } } public void Consumer() { lock( _queue ) { Monitor.Pulse( _queue );//通知在Wait中阻塞的Producer線程即將執行 while( Monitor.Wait( _queue, 10 ) ) { int counter = ( int ) _queue.Dequeue();//取出一個資源 Console.WriteLine( String.Format( "消費：{0}", counter ) ); Monitor.Pulse( _queue );//通知在Wait中阻塞的Producer線程即將執行 } } } static void Main(string[] args) { MonitorSample monitor = new MonitorSample(); Thread producer = new Thread( new ThreadStart( monitor.Producer ) ); Thread consumer = new Thread( new ThreadStart( monitor.Consumer ) ); producer.Start(); consumer.Start(); producer.Join(); consumer.Join(); Console.ReadLine(); } }

小結 本文僅僅只是展示了.NET框架強大功能的冰山一角，通過兩個實例具體講解了在.NET框架下開發多線程程序的必備知識，當您熟悉以后應該也會認為編寫多線程程序是.NET框架里最有趣和有用的東西。

轉載于:https://www.cnblogs.com/zhuor/archive/2006/04/10/370983.html

總結

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