C#多執行緒(12)：執行緒池

• 2020 年 4 月 27 日
• 筆記
• c# 教程

執行緒池

執行緒池全稱為託管執行緒池，執行緒池受 .NET 通用語言運行時(CLR)管理，執行緒的生命周期由 CLR 處理，因此我們可以專註於實現任務，而不需要理會執行緒管理。

執行緒池的應用場景：任務並行庫 (TPL)操作、非同步 I/O 完成、計時器回調、註冊的等待操作、使用委託的非同步方法調用和套接字連接。

很多人不清楚 Task、Task<TResult> 原理，原因是沒有好好了解執行緒池。

ThreadPool 常用屬性和方法

屬性：

方法：

執行緒池說明和示例

通過 System.Threading.ThreadPool 類，我們可以使用執行緒池。

ThreadPool 類是靜態類，它提供一個執行緒池，該執行緒池可用於執行任務、發送工作項、處理非同步 I/O、代表其他執行緒等待以及處理計時器。

理論的東西這裡不會說太多，你可以參考官方文檔地址：//docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.threadpool?view=netcore-3.1

ThreadPool 有一個 QueueUserWorkItem() 方法，該方法接受一個代表用戶非同步操作的委託(名為 WaitCallback )，調用此方法傳入委託後，就會進入執行緒池內部隊列中。

WaitCallback 委託的定義如下：

public delegate void WaitCallback(object state);

現在我們來寫一個簡單的執行緒池示例，再扯淡一下。

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ThreadPool.QueueUserWorkItem(MyAction);

            ThreadPool.QueueUserWorkItem(state =>
            {
                Console.WriteLine("任務已被執行2");
            });
            Console.ReadKey();
        }
        // state 表示要傳遞的參數資訊，這裡為 null
        private static void MyAction(Object state)
        {
            Console.WriteLine("任務已被執行1");
        }
    }

十分簡單對不對~

這裡有幾個要點：

• 不要將長時間運行的操作放進執行緒池中；
• 不應該阻塞執行緒池中的執行緒；
• 執行緒池中的執行緒都是後台執行緒(又稱工作者執行緒)；

另外，這裡一定要記住 WaitCallback 這個委託。

我們觀察創建執行緒需要的時間：

        static void Main()
        {
            Stopwatch watch = new Stopwatch();
            watch.Start();
            for (int i = 0; i < 10; i++)
                new Thread(() => { }).Start();
            watch.Stop();
            Console.WriteLine("創建 10 個執行緒需要花費時間(毫秒)：" + watch.ElapsedMilliseconds);
            Console.ReadKey();
        }

筆者電腦測試結果大約 160。

執行緒池執行緒數

執行緒池中的 SetMinThreads()和 SetMaxThreads() 可以設置執行緒池工作的最小和最大執行緒數。其定義分別如下：

// 設置執行緒池最小工作執行緒數執行緒
public static bool SetMinThreads (int workerThreads, int completionPortThreads);

// 獲取
public static void GetMinThreads (out int workerThreads, out int completionPortThreads);

workerThreads：要由執行緒池根據需要創建的新的最小工作程式執行緒數。

completionPortThreads：要由執行緒池根據需要創建的新的最小空閑非同步 I/O 執行緒數。

SetMinThreads() 的返回值代表是否設置成功。

// 設置執行緒池最大工作執行緒數
public static bool SetMaxThreads (int workerThreads, int completionPortThreads);

// 獲取
public static void GetMaxThreads (out int workerThreads, out int completionPortThreads);

workerThreads：執行緒池中輔助執行緒的最大數目。

completionPortThreads：執行緒池中非同步 I/O 執行緒的最大數目。

SetMaxThreads() 的返回值代表是否設置成功。

這裡就不給出示例了，不過我們也看到了上面出現 非同步 I/O 執行緒 這個關鍵詞，下面會學習到相關知識。

執行緒池執行緒數說明

關於最大最小執行緒數，這裡有一些知識需要說明。在此前，我們來寫一個示例：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            // 不斷加入任務
            for (int i = 0; i < 8; i++)
                ThreadPool.QueueUserWorkItem(state =>
                {
                    Thread.Sleep(100);
                    Console.WriteLine("");
                });
            for (int i = 0; i < 8; i++)
                ThreadPool.QueueUserWorkItem(state =>
                {
                    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
                    Console.WriteLine("");
                });

            Console.WriteLine("     此電腦處理器數量：" + Environment.ProcessorCount);

            // 工作項、任務代表同一個意思
            Console.WriteLine("     當前執行緒池存在執行緒數：" + ThreadPool.ThreadCount);
            Console.WriteLine("     當前已處理的工作項數：" + ThreadPool.CompletedWorkItemCount);
            Console.WriteLine("     當前已加入處理隊列的工作項數：" + ThreadPool.PendingWorkItemCount);
            int count;
            int ioCount;
            ThreadPool.GetMinThreads(out count, out ioCount);
            Console.WriteLine($"     默認最小輔助執行緒數：{count}，默認最小非同步IO執行緒數：{ioCount}");

            ThreadPool.GetMaxThreads(out count, out ioCount);
            Console.WriteLine($"     默認最大輔助執行緒數：{count}，默認最大非同步IO執行緒數：{ioCount}");
            Console.ReadKey();
        }
    }

運行後，筆者電腦輸出結果(我們的運行結果可能不一樣)：

     此電腦處理器數量：8
     當前執行緒池存在執行緒數：8
     當前已處理的工作項數：2
     當前已加入處理隊列的工作項數：8
     默認最小輔助執行緒數：8，默認最小非同步IO執行緒數：8
     默認最大輔助執行緒數：32767，默認最大非同步IO執行緒數：1000

我們結合運行結果，來了解一些知識點。

執行緒池最小執行緒數，默認是當前電腦處理器數量。另外我們也看到了。當前執行緒池存在執行緒數為 8 ，因為執行緒池創建後，無論有沒有任務，都有 8 個執行緒存活。

如果將執行緒池最小數設置得過大(SetMinThreads())，會導致任務切換開銷變大，消耗更多得性能資源。

如果設置得最小值小於處理器數量，則也可能會影響性能。

SetMaxThreads() 設置的最大工作執行緒數或 I/O 執行緒數，不能小於 SetMinThreads() 設置的最小工作執行緒數或 I/O 執行緒數。

設置執行緒數過大，會導致任務切換開銷變大，消耗更多得性能資源。

如果加入的任務大於設置的最大執行緒數，那麼將會進入等待隊列。

不支援的執行緒池非同步委託

扯淡了這麼久，我們從設置執行緒數中，發現有個 I/O 非同步執行緒數，這個執行緒數限制的是執行非同步委託的執行緒數量，這正是本節要介紹的。

非同步編程模型(Asynchronous Programming Model，簡稱 APM)，在日常擼碼中，我們可以使用 async、await 和Task 一把梭了事。

.NET Core 不再使用 BeginInvoke 這種模式。你可以跟著筆者一起踩坑先。

筆者在看書的時候，寫了這個示例：

很多地方也在使用這種形式的示例，但是在 .NET Core 中用不了，只能在 .NET Fx 使用。。。

    class Program
    {
        private delegate string MyAsyncDelete(out int thisThreadId);
        static void Main(string[] args)
        {
            int threadId;
            // 不是非同步調用
            MyMethodAsync(out threadId);

            // 創建自定義的委託
            MyAsyncDelete myAsync = MyMethodAsync;

            // 初始化非同步的委託
            IAsyncResult result = myAsync.BeginInvoke(out threadId, null, null);

            // 當前執行緒等待非同步完成任務，也可以去掉
            result.AsyncWaitHandle.WaitOne();
            Console.WriteLine("非同步執行");

            // 檢索非同步執行結果
            string returnValue = myAsync.EndInvoke(out threadId, result);

            // 關閉
            result.AsyncWaitHandle.Close();

            Console.WriteLine("非同步處理結果：" + returnValue);
        }
        private static string MyMethodAsync(out int threadId)
        {
            // 獲取當前執行緒在託管執行緒池的唯一標識
            threadId = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;
            // 模擬工作請求
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(new Random().Next(1, 5)));
            // 返回工作完成結果
            return "喜歡我的讀者可以關注筆者的部落格歐~";
        }
    }

目前百度到的很多文章也是 .NET FX 時代的程式碼了，要注意 C# 在版本迭代中，對非同步這些 API ，做了很多修改，不要看別人的文章，學完後才發現不能在 .NET Core 中使用(例如我... ...)，浪費時間。

上面這個程式碼示例，也從側面說明了，以往 .NET Fx (C# 5.0 以前)中使用非同步是很麻煩的。

.NET Core 是不支援非同步委託的，具體可以看 //github.com/dotnet/runtime/issues/16312

官網文檔明明說支援的//docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.iasyncresult?view=netcore-3.1#examples，而且示例也是這樣，搞了這麼久，居然不行，我等下一刀過去。

關於為什麼不支援，可以看這裡：//devblogs.microsoft.com/dotnet/migrating-delegate-begininvoke-calls-for-net-core/

不支援就算了，我們跳過，後面學習非同步時再仔細討論。

任務取消功能

這個取消跟執行緒池池無關。

CancellationToken：傳播有關應取消操作的通知。

CancellationTokenSource：嚮應該被取消的 CancellationToken 發送訊號。

兩者關係如下：

        CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
        CancellationToken token = cts.Token;  

這個取消，在於訊號的發生和訊號的捕獲，任務的取消不是實時的。

示例程式碼如下：

CancellationTokenSource 實例化一個取消標記，然後傳遞 CancellationToken 進去；

被啟動的執行緒，每個階段都判斷 .IsCancellationRequested，然後確定是否停止運行。這取決於執行緒的自覺性。

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();

            Console.WriteLine("按下回車鍵，將取消任務");

            new Thread(() => { CanceTask(cts.Token); }).Start();
            new Thread(() => { CanceTask(cts.Token); }).Start();

            Console.ReadKey();
            
            // 取消執行
            cts.Cancel();
            Console.WriteLine("完成");
            Console.ReadKey();
        }

        private static void CanceTask(CancellationToken token)
        {
            Console.WriteLine("第一階段");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            if (token.IsCancellationRequested)
                return;

            Console.WriteLine("第二階段");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            if (token.IsCancellationRequested)
                return;

            Console.WriteLine("第三階段");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            if (token.IsCancellationRequested)
                return;

            Console.WriteLine("第四階段");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            if (token.IsCancellationRequested)
                return;

            Console.WriteLine("第五階段");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            if (token.IsCancellationRequested)
                return;
        }
    }

這個取消標記，在前面的很多同步方式中，都用的上。

計時器

常用的定時器有兩種，分別是：System.Timers.Timer 和 System.Thread.Timer。

System.Threading.Timer是一個普通的計時器，它是執行緒池中的執行緒中。

System.Timers.Timer包裝了System.Threading.Timer，並提供了一些用於在特定執行緒上分派的其他功能。

什麼執行緒安全不安全。。。俺不懂這個。。。不過你可以參考//stackoverflow.com/questions/19577296/thread-safety-of-system-timers-timer-vs-system-threading-timer

如果你想認真區分兩者的關係，可以查看：//web.archive.org/web/20150329101415///msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc164015.aspx

兩者主要使用區別：

• System.Timers.Timer，它會定期觸發一個事件並在一個或多個事件接收器中執行程式碼。
• System.Threading.Timer，它定期在執行緒池執行緒上執行一個回調方法。

大多數情況下使用 System.Threading.Timer，因為它比較「輕」，另外就是 .NET Core 1.0 時，System.Timers.Timer 被取消了，NET Core 2.0 時又回來了。主要是為了 .NET FX 和 .NET Core 遷移方便，才加上去的。所以，你懂我的意思吧。

System.Threading.Timer 其中一個構造函數定義如下：

public Timer (System.Threading.TimerCallback callback, object state, uint dueTime, uint period);

callback：要定時執行的方法；

state：要傳遞給執行緒的資訊(參數)；

dueTime：延遲時間，避免一創建計時器，馬上開始執行方法；

period：設置定時執行方法的時間間隔；

計時器示例：

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            Timer timer = new Timer(TimeTask,null,100,1000);
            
            Console.ReadKey();
        }

        // public delegate void TimerCallback(object? state);
        private static void TimeTask(object state)
        {
            Console.WriteLine("www.whuanle.cn");
        }
    }

Timer 有不少方法，但不常用，可以查看官方文檔：//docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.timer?view=netcore-3.1#methods