C# 多线程并发编程基础

1. 线程基础

1.1 线程简介

C# 中的线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程中，是进程中的实际运作单位。一个进程可以包含多个线程，这些线程可以并发执行不同的任务。

1.2 线程的创建与启动

在 C# 中，可以使用 System.Threading.Thread 类来创建和管理线程。

创建线程：

Thread thread = new Thread(new ThreadStart(YourMethod));

启动线程：

thread.Start();

1.3 线程的状态

线程在其生命周期中会经历多种状态，包括新建、就绪、运行、阻塞和死亡等。

1.4 线程的优先级

C# 中的线程具有优先级，可以通过 Thread.Priority 属性来设置。优先级高的线程更有可能获得 CPU 时间片。

2. 多线程编程基础

2.1 线程同步

多线程编程中，由于多个线程可能同时访问共享资源，因此需要考虑同步问题。C# 提供了多种同步机制。

锁（Lock）：

object lockObject = new object();
lock (lockObject)
{// 临界区代码
}

互斥量（Mutex）：

Mutex mutex = new Mutex();
mutex.WaitOne();
// 临界区代码
mutex.ReleaseMutex();

信号量（Semaphore）：

Semaphore semaphore = new Semaphore(1, 1);
semaphore.WaitOne();
// 临界区代码
semaphore.Release();

2.2 线程间通信

线程间通信是多线程编程中的重要部分，C# 提供了多种机制来实现线程间的通信。

事件（Event）：

ManualResetEvent event = new ManualResetEvent(false);
event.Set(); // 通知其他线程
event.WaitOne(); // 等待其他线程通知

等待句柄（WaitHandle）：

AutoResetEvent waitHandle = new AutoResetEvent(false);
waitHandle.Set(); // 通知其他线程
waitHandle.WaitOne(); // 等待其他线程通知

2.3 线程池

线程池是一种多线程处理形式，处理过程中将任务添加到队列，然后在后台以异步方式执行任务。

使用线程池：

ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(YourMethod));

2.4 异步编程

C# 提供了异步编程模型（Async/Await），可以简化异步操作的编写。

异步方法：

public async Task<int> YourAsyncMethod()
{// 异步操作var result = await SomeAsyncOperation();return result;
}

3. 高级线程管理

3.1 并行类库（TPL）

.NET Framework 4 引入了任务并行库（Task Parallel Library, TPL），用于简化并行编程。

创建任务：

Task task = new Task(YourMethod);
task.Start();

等待任务完成：

Task.WaitAll(task1, task2);

并行循环：

Parallel.For(0, 100, i => 
{// 并行执行的代码
});

3.2 并行 LINQ（PLINQ）

PLINQ 是对 LINQ to Objects 的并行实现，可以显著提高数据处理的性能。

PLINQ 查询：

var query = from num in numbers.AsParallel()where num % 2 == 0select num;

3.3 同步上下文（SynchronizationContext）

同步上下文用于确保在正确的线程上执行回调。

获取当前同步上下文：

SynchronizationContext context = SynchronizationContext.Current;

发布到同步上下文：

context.Post(state => 
{// 在正确的线程上执行的代码
}, state);

4. 线程安全集合

4.1 线程安全集合类

C# 提供了一些线程安全的集合类，可以在多线程环境下安全地使用。

线程安全字典（ConcurrentDictionary）：

ConcurrentDictionary<int, string> dict = new ConcurrentDictionary<int, string>();
dict.TryAdd(1, "Value1");
string value;
dict.TryGetValue(1, out value);

线程安全队列（ConcurrentQueue）：

ConcurrentQueue<int> queue = new ConcurrentQueue<int>();
queue.Enqueue(1);
int item;
queue.TryDequeue(out item);

4.2 不可变集合

不可变集合是一旦创建就不能修改的集合，可以安全地在多线程间共享。

创建不可变集合：

ImmutableList<int> list = ImmutableList.Create(1, 2, 3);

5. 性能监控与调试

5.1 性能监控

使用性能监控工具可以帮助诊断多线程程序中的性能瓶颈。

性能计数器：

PerformanceCounter counter = new PerformanceCounter("Category", "Counter");
counter.NextValue();

5.2 调试技巧

调试多线程程序需要特殊的技巧和工具。

使用 Visual Studio 调试器：

• 断点
• 并行堆栈窗口
• 并行任务窗口

日志记录：

using (var writer = new StreamWriter("log.txt", true))
{writer.WriteLine("Thread {0} is executing.", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}

6. 最佳实践与常见问题

6.1 最佳实践

• 尽量使用线程池来管理线程
• 避免过度同步
• 使用异步编程模型来提高响应性和性能

6.2 常见问题

• 死锁
• 竞态条件
• 线程饥饿

通过遵循最佳实践和了解常见问题，可以编写出高效、稳定的多线程程序。

以上是 C# 多线程并发编程的基础内容，通过掌握这些基本概念和技巧，可以开始编写高效的多线程应用程序。