C# 異步多線程入門基礎

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進程、線程

1. 進程

首先瞭解，什麼是線程? 即一個應用程序運行時，占用資源的綜合是一個進程。Windows 任務管理器裡面可以看到，裡面一個個都是在運行的進程。

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2. 線程

線程是執行流的最小單位。線程其實是看不到的，其實也可以，例如 Windows 任務管理器：正在運行 272 個進程，272 個進程運行瞭 3909 個線程，也就是一個進程可以擁有多個線程。

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分時、分片

現在有個怪相，CPU 實在太快瞭，內存顯卡其他硬件資源其實都跟不上 CPU 的速度，於是就產生瞭分片的概念。從微觀角度來講，以前電腦很多都是單核，一時刻隻能執行一個線程，按照這個道理，為什麼我們的計算機還可以同時運行許多個應用呢。但從宏觀來說是並發的，多個應用同時執行，我們既可以掃雷也可以完蜘蛛紙牌還可以聽音樂。這就是分片，分片會產生一個上下文，假設當前執行掃雷線程，下一個時刻執行蜘蛛紙牌線程，CPU 會將掃雷線程上下文保存起來，切換成蜘蛛紙牌線程，這樣進行來回調度，從宏觀來看是並發的。

這個補充一點額外知識，多 CPU 多核，本身就可以完成多個線程的計算，可以獨立工作。4核8線程，核就是物理的核，線程是虛擬的核，每個核可以進行分片做並發的。

同步、異步

我們開發人員口中常說的同步、異步，其實是對方法執行的描述。因為編程語言本身是沒有線程的，它隻能去向操作系統申請線程，去執行代碼。

同步方法，代碼執行第一行到最後一行依次執行到結束，完成第一行之後進入下第二行直到最後一行，這就是同步，阻塞式的。

異步方法，不會等待當前行執行完成，就會進行下一行執行代碼，非阻塞式的。

異步、多線程

多線程，就是多個執行流，同時執行。在 C# 中多線程就是多個並發的 Thread 開啟多個線程處理任務，利用的可能是 CPU 的多核，也可能是單核 CPU 分片完成執行的任務。

異步，其實是硬件式的異步，其實這個不太好理解。這裡就拿文件寫入來說

多線程情況，線程會一直從文件寫入開始到結束，都參與工作這件事，也就是 CPU 會處理寫文件操作，線程會一直等待 CPU 向磁盤寫入文件直到完成。

異步情況，線程會給 CPU 發個指令與文件流交個操作系統，線程就可以忙別的事情去瞭，也就是利用硬件的特性，發個指令讓操作系統完成文件寫入，線程去執行其他任務，等 CPU 寫完後發個指令回來，通知到線程。

有同學會問這個異步怎麼寫，其實在程序中是寫不瞭這個的，這是操作系統底層的東西，在 WPF 裡面就可以直接調用。 C# 中常說的異步多線程指的是 ThreadPool、Task ，都是基於 Thread 完成的，隻是 C# 語言進行瞭封裝的。

異步多線程效率

說起異步很多人都知道，同步方法慢，異步多線程快，這個大傢心裡面都是這麼認為的。但效率究竟提升瞭多少呢

我們看下面程序，定義一個普通方法 Sum 做些 CPU 密集型運算，然後在 Main 方法，分別同步與異步，執行 Sum 方法。即同樣的任務使用單線程（主線程）運行五次，再使用多線程開啟 5 個線程，分別執行。

public static void Sum(int f)
{
    Console.WriteLine($"第{f}次  start：{DateTime.Now.ToLongTimeString()},Thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    decimal s = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++)
    {
        s = s + i;
    }
    Console.WriteLine($"第{f}次  end：{DateTime.Now.ToLongTimeString()},Thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
}

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"同步 start：{DateTime.Now.ToLongTimeString()},Thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        Sum(i);
    }
    Console.WriteLine($"同步 end：{DateTime.Now.ToLongTimeString()},Thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");

    Console.WriteLine();

    Console.WriteLine($"異步 start：{DateTime.Now.ToLongTimeString()},Thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        Action<int> action = Sum;
        action.BeginInvoke(i,null,null);
    }
    Console.WriteLine($"異步 end：{DateTime.Now.ToLongTimeString()},Thread:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");

    Console.ReadKey();
}

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啟動程序，可以看到，同步方法1個線程執行瞭 2 分 40 秒，異步方法 5 個線程執行瞭 52 秒，很顯然異步方法快與同步方法四倍多。

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說到這可能有的同學會發現，同步1個線程，異步5個線程，為什麼效率不提升五倍呢，不是線性增長呢？其實，異步效率提升受限於資源限制、上下文切換成本

上面我們說過 CPU 的分時分片，即使單核也可以同時運行多個程序，那既要馬兒跑得快，又要馬兒不吃草，怎麼可能呢，這就是上下文切換的管理成本。

資源限制，異步效率不高也可能資源不夠。如下，我們啟動資源管理器並啟動程序，可以看到同步時 CPU 使用的資源並不高執行但時間長，當多線程時 CPU 達到瞭 100% 但執行時間短，也就是一種資源換時間策略。

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多線程無序性

因為計算機的分時分片，會使得多線程無序。即啟動無序、執行無序、結束無序。

啟動無序，線程是操作系統的，C# 並沒有線程，C# 需要向操作系統申請線程，假設同時或者有序向向操作系統申請線程，但操作系統並不是按順序給線程，可能後申請的先拿到線程，也可能先申請的後拿到線程。

執行無序，程序拿到瞭操作系統分片的線程後，我們執行的任務運氣好瞭可能後申請的先執行，運氣差瞭先申請的後執行，都是非常常見的。

結束無序，這個受執行無序、分時分片運氣、任務量的影響。開始執行無序已經說過；分時分片運氣，當我的 CPU 執行一個任務，並不是任務執行完瞭才會進行上下文的切換去執行其他任務，而是可以隨時暫停切換執行其他任務的；任務量就是，做的任務多少不同，即使同一時刻開始執行，完成的時間必然不一樣。

擴展

1 . 同一個線程做相同的事情，耗時時間一樣嗎？
答案：不一樣，應為CPU是分片的，運氣好瘋狂拿時間片，運氣不好十次也拿不到。

異步多線程版本

在 .NET 中隨著時間的發展，線程是有許多個版本的 1.0 Thread、2.0 TthreadPool、3.0 Task、4.0 Parallel 等，每個版本都是其特點，後面我們一一進行講解。

以上就是C# 異步多線程入門基礎的詳細內容，更多關於C# 異步多線程的資料請關註WalkonNet其它相關文章！

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