C#多執行緒程式設計（一）程序與執行緒
一、 程序
簡單來說，程序是對資源的抽象，是資源的容器，在傳統作業系統中，程序是資源分配的基本單位，而且是執行的基本單位，程序支援併發執行，因為每個程序有獨立的資料，獨立的堆疊空間。一個程式想要併發執行，開多個程序即可。
Q1：在單核下，程序之間如何同時執行？
首先要區分兩個概念——併發和並行
- 併發：併發是指在一段微小的時間段中，有多個程式程式碼段被CPU執行，巨集觀上表現出來就是多個程式能”同時“執行。
- 並行：並行是指在一個時間點，有多個程式段程式碼被CPU執行，它才是真正的同時執行。
所以應該說程序之間是併發執行。對於CPU來講，它不知道程序的存在，CPU主要與暫存器打交道。有一些常用的暫存器，如程式計數器暫存器，這個暫存器儲存了將要執行的指令的地址，這個暫存器的地址指向哪，CPU就去哪。還有一些堆疊暫存器和通用暫存器等等等，總之，這些資料構成了一個程式的執行環境，這個執行環境就叫做”上下文（Context）“，程序之間切換本質就是儲存這些資料到記憶體，術語叫做”儲存現場“，然後恢復某個程序的執行環境，也即是”恢復現場“，整個過程術語叫做“上下文切換”，具體點就是程序上下文切換，這就是程序之間能併發執行的本質——頻繁的切換程序上下文。這個功能是由作業系統提供的，是核心態的，對應用軟體開發人員透明。
二、 執行緒
程序雖然支援併發，但是對併發不是很友好，不友好是指每開啟一個程序，都要重新分配一部分資源，而執行緒相對程序來說，建立執行緒的代價比建立程序要小，所以引入執行緒能更好的提高併發性。在現代作業系統中，程序變成了資源分配的基本單位，而執行緒變成了執行的基本單位，每個執行緒都有獨立的堆疊空間，同一個程序的所有執行緒共享程式碼段和地址空間等共享資源。相應的上下文切換從程序上下文切換變成了執行緒上下文切換。
三、 為什麼要引入程序和執行緒
- 提高CPU利用率，在早期的單道批處理系統中，如果執行中的程式碼需要依賴與外部條件，將會導致CPU空閒，例如檔案讀取，等待鍵盤訊號輸入，這將浪費大量的CPU時間。引入多程序和執行緒可以解決CPU利用率低這個問題。
- 隔離程式之間的資料（每個程序都有單獨的地址空間），保證系統執行的穩定性。
- 提高系統的響應性和互動能力。
四、 在C#中建立託管執行緒
1. Thread類
在.NET中，託管執行緒分為：
- 前臺執行緒
- 後臺執行緒
一個.Net程式中，至少要有一個前臺執行緒，所有前臺執行緒結束了，所有的後臺執行緒將會被公共語言執行時（CLR）強制銷燬，程式執行結束。
如下將在控制檯程式中建立一個後臺執行緒
1 static void Main(string[] args)
2 {
3 var t = new Thread(() =>
4 {
5 Thread.Sleep(1000);
6 Console.WriteLine("執行完畢");
7 });
8 t.IsBackground = true;
9 t.Start();
10 }
View Code
主執行緒（預設是前臺執行緒）執行完畢，程式直接退出。
但IsBackground 屬性改為false時，控制檯會列印“執行完畢”。
2. 有什麼問題
直接使用Thread類來進行多執行緒程式設計浪費資源（伺服器端更加明顯）且不方便，舉個栗子。
假如我寫一個Web伺服器程式，每個請求建立一個執行緒，那麼每一次我都要new一個Thread物件，然後傳入處理HttpRequest的委託，處理完之後，執行緒將會被銷燬，這將會導致浪費大量CPU時間和記憶體，在早期CPU效能不行和記憶體資源珍貴的情況下這個缺點會被放大，在現在這個缺點不是很明顯，原因是硬體上來了。
不方便體現在哪呢？
- 無法直接獲取另一個執行緒內未被捕捉的異常
- 無法直接獲取執行緒函式的返回值
1 public static void ThrowException()
2 {
3 throw new Exception("發生異常");
4 }
5 static void Main(string[] args)
6 {
7 var t = new Thread(() =>
8 {
9 Thread.Sleep(1000);
10 ThrowException();
11 });
12 t.IsBackground = false;
13 try
14 {
15 t.Start();
16 }
17 catch(Exception e)
18 {
19 Console.WriteLine(e.Message);
20 }
21 }
View Code
上述程式碼將會導致程式奔潰，如下圖。
要想直接獲取返回值和可以直接從主執行緒捕捉執行緒函式內未捕捉的異常，我們可以這麼做。
新建一個MyTask.cs檔案，內容如下
1 using System;
2 using System.Threading;
3 namespace ConsoleApp1
4 {
5 public class MyTask
6 {
7 private Thread _thread;
8 private Action _action;
9 private Exception _innerException;
10 public MyTask()
11 {
12 }
13 public MyTask(Action action)
14 {
15 _action = action;
16 }
17 protected virtual void Excute()
18 {
19 try
20 {
21 _action();
22 }
23 catch(Exception e)
24 {
25 _innerException = e;
26 }
27
28 }
29 public void Start()
30 {
31 if (_thread != null) throw new InvalidOperationException("任務已經開始");
32 _thread = new Thread(() => Excute());
33 _thread.Start();
34 }
35 public void Start(Action action)
36 {
37 _action = action;
38 if (_thread != null) throw new InvalidOperationException("任務已經開始");
39 _thread = new Thread(() => Excute());
40 _thread.Start();
41 }
42 public void Wait()
43 {
44 _thread.Join();
45 if (_innerException != null) throw _innerException;
46 }
47 }
48 public class MyTask<T> : MyTask
49 {
50 private Func<T> _func { get; }
51 private T _result;
52 public T Result {
53
54 private set => _result = value;
55 get
56 {
57 base.Wait();
58 return _result;
59 }
60 }
61 public MyTask(Func<T> func)
62 {
63 _func = func;
64 }
65 public new void Start()
66 {
67 base.Start(() =>
68 {
69 Result = _func();
70 });
71 }
72 }
73 }
View Code
簡單的包裝了一下（不要在意細節），我們便可以實現我們想要的效果。
測試程式碼如下
1 public static void ThrowException()
2 {
3 throw new Exception("發生異常");
4 }
5 public static void Test3()
6 {
7 MyTask<string> myTask = new MyTask<string>(() =>
8 {
9 Thread.Sleep(1000);
10 return "執行完畢";
11 });
12 myTask.Start();
13 try
14 {
15 Console.WriteLine(myTask.Result);
16 }
17 catch (Exception e)
18 {
19 Console.WriteLine(e.Message);
20 }
21 }
22 public static void Test2()
23 {
24 MyTask<string> myTask = new MyTask<string>(() =>
25 {
26 Thread.Sleep(1000);
27 ThrowException();
28 return "執行完畢";
29 });
30 myTask.Start();
31 try
32 {
33 Console.WriteLine(myTask.Result);
34 }
35 catch(Exception e)
36 {
37 Console.WriteLine(e.Message);
38 }
39 }
40 public static void Test1()
41 {
42 MyTask myTask = new MyTask(() =>
43 {
44 Thread.Sleep(1000);
45 ThrowException();
46 });
47 myTask.Start();
48 try
49 {
50 myTask.Wait();
51 }
52 catch (Exception e)
53 {
54 Console.WriteLine(e.Message);
55 }
56 }
57 static void Main(string[] args)
58 {
59 Test1();
60 Test2();
61 Test3();
62 }
可以看到，我們可以通過簡單包裝Thread物件，便可實現如下效果
- 直接讀取執行緒函式返回值
- 直接捕捉執行緒函式未捕捉的異常（前提是呼叫了Wait()函式或者Result屬性）
這是理解和運用Task的基礎，Task功能非常完善，但是運用好Task需要掌握許多概念，下面再說。