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C#中几种常见的异步处理的方法

先大概看一下控制台应用程序的Main方法的主要代码:001 static bool done = false; 002 static decimal count2 = 0; 003 static int threadDone = 0;//标志启用线程数? 004 static System.Timers.Timer timer = new System.Timers.Timer(1000); 005 006 static decimal[] threadPoolCounters = new decimal[10]; 007 static Thread[] threads = new Thread[10]; 008 static System.Timers.Timer[] threadTimers = new System.Timers.Timer[10]; 009 010 static void Main(string[] args) 011 { 012 timer.Stop(); 013 /*当 AutoReset 设置为 false 时,Timer 只在第一个 Interval 过后引发一次 Elapsed 事件。 014 若要保持以 Interval 时间间隔引发 Elapsed 事件,请将 AutoReset 设置为 true。*/ 015 timer.AutoReset = false; 016 timer.Elapsed += new ElapsedEventHandler(OnTimerEvent);//当timer.Start()时,触发事件 017 decimal total = 0; 018 019 // raw test 020 decimal count1 = SingleThreadTest();//单一线程,一跑到底 021 Console.WriteLine("Single thread count = " + count1.ToString()); 022 023 // create one thread, increment counter, destroy thread, repeat 024 Console.WriteLine(); 025 CreateAndDestroyTest();//创建一个线程,运算,然后销毁该线程 重复前面的动作 026 Console.WriteLine("Create and destroy per count = " + count2.ToString()); 027 028 // Create 10 threads and run them simultaneously 029 //一次性创建10个线程,然后遍历使线程执行运算 030 Console.WriteLine(); 031 InitThreadPoolCounters(); 032 InitThreads(); 033 StartThreads(); 034 while (threadDone != 10) { }; 035 Console.WriteLine("10 simultaneous threads:"); 036 for (int i = 0; i < 10; i++) 037 { 038 Console.WriteLine("T" + i.ToString() + " = " + threadPoolCounters[i].ToString() + " "); 039 total += threadPoolCounters[i]; 040 } 041 Console.WriteLine("Total = " + total.ToString()); 042 Console.WriteLine(); 043 044 Console.WriteLine("///////////////////////////////////////////////////"); 045 046 // using ThreadPool 047 //直接通过线程池的QueueUserWorkItem方法,按队列执行10个任务 048 Console.WriteLine(); 049 Console.WriteLine("ThreadPool:"); 050 InitThreadPoolCounters(); 051 QueueThreadPoolThreads(); 052 while (threadDone != 10) { }; 053 Console.WriteLine("ThreadPool: 10 simultaneous threads:"); 054 total = 0; 055 for (int i = 0; i < 10; i++) 056 { 057 // threadTimers[i].Stop(); 058 // threadTimers[i].Dispose(); 059 Console.WriteLine("T" + i.ToString() + " = " + threadPoolCounters[i].ToString() + " "); 060 total += threadPoolCounters[i]; 061 } 062 Console.WriteLine("Total = " + total.ToString()); 063 064 // using SmartThreadPool 065 //通过Amir Bar的SmartThreadPool线程池,利用QueueUserWorkItem方法,按队列执行10个任务 066 Console.WriteLine(); 067 Console.WriteLine("SmartThreadPool:"); 068 InitThreadPoolCounters(); 069 QueueSmartThreadPoolThreads(); 070 while (threadDone != 10) { }; 071 Console.WriteLine("SmartThreadPool: 10 simultaneous threads:"); 072 total = 0; 073 for (int i = 0; i < 10; i++) 074 { 075 Console.WriteLine("T" + i.ToString() + " = " + threadPoolCounters[i].ToString() + " "); 076 total += threadPoolCounters[i]; 077 } 078 Console.WriteLine("Total = " + total.ToString()); 079 080 // using ManagedThreadPool 081 //通过Stephen Toub改进后的线程池,利用QueueUserWorkItem方法,按队列执行10个任务 082 Console.WriteLine(); 083 Console.WriteLine("ManagedThreadPool:"); 084 InitThreadPoolCounters(); 085 QueueManagedThreadPoolThreads(); 086 while (threadDone != 10) { }; 087 Console.WriteLine("ManagedThreadPool: 10 simultaneous threads:"); 088 total = 0; 089 for (int i = 0; i < 10; i++) 090 { 091 Console.WriteLine("T" + i.ToString() + " = " + threadPoolCounters[i].ToString() + " "); 092 total += threadPoolCounters[i]; 093 } 094 Console.WriteLine("Total = " + total.ToString()); 095 096 // using C#4.0 Parallel 097 //通过Tasks.Parallel.For进行并行运算 098 Console.WriteLine(); 099 Console.WriteLine("Parallel:"); 100 InitThreadPoolCounters(); 101 UseParallelTasks(); 102 while (threadDone != 10) { }; 103 Console.WriteLine("Parallel: 10 simultaneous threads:"); 104 total = 0; 105 for (int i = 0; i < 10; i++) 106 { 107 Console.WriteLine("T" + i.ToString() + " = " + threadPoolCounters[i].ToString() + " "); 108 total += threadPoolCounters[i]; 109 } 110 Console.WriteLine("Total = " + total.ToString()); 111 } 我们可以先熟悉一下大致思路。代码中,我们主要依靠输出的数字count或者total来判断哪个方法执行效率更高(原文是How Hign Can I Count?),通常输出的数字越大,我们就认为它”干的活越多“,效率越高。主要实现过程就是通过一个静态的System.Timers.Timer对象的timer实例,设置它的Interval属性和ElapsedEventHandler事件:1 static System.Timers.Timer timer = new System.Timers.Timer(1000); 2 /*当 AutoReset 设置为 false 时,Timer 只在第一个 Interval 过后引发一次 Elapsed 事件。 3 若要保持以 Interval 时间间隔引发 Elapsed 事件,请将 AutoReset 设置为 true。*/ 4 timer.AutoReset = false; 5 timer.Elapsed += new ElapsedEventHandler(OnTimerEvent);//当timer.Start()时,触发事件 其中,timer的事件触发的函数:?1 static void OnTimerEvent(object src, ElapsedEventArgs e) 2 { 3 done = true; 4 } 每次timer.Start执行的时候,一次测试就将开始,这样可以确保测试的不同方法都在1000毫秒内跑完。下面开始具体介绍几个方法:A、线程这个非常简单,就是通过主线程计算在1000毫秒内,count从0递增加到了多少:01 /// 02 /// 单一线程,一跑到底 03 /// 04 /// 05 static decimal SingleThreadTest() 06 { 07 done = false; 08 decimal counter = 0; 09 timer.Start(); 10 while (!done) 11 { 12 ++counter; 13 } 14 return counter; 15 } while判断可以保证方法在1000毫秒内执行完成。B、多线程这个多线程方法比较折腾,先创建线程,然后运行,最后销毁线程,这就是一个线程执行单元,重复10次这个线程执行单元。01 /// 02 /// 创建一个线程,运算,然后销毁该线程 重复前面的动作 03 /// 04 static void CreateAndDestroyTest() 05 { 06 done = false; 07 timer.Start(); 08 while (!done) 09 { 10 Thread counterThread = new Thread(new ThreadStart(Count1Thread)); 11 counterThread.IsBackground = true;//后台线程 12 counterThread.Start(); 13 while (counterThread.IsAlive) { }; 14 } 15 } 那个ThreadStart委托对应的方法Count1Thread如下:?1 static void Count1Thread() 2 { 3 ++count2; //静态字段count2自增 4 } 从表面上看,大家估计都可以猜到,效果可能不佳。C、还是多线程这个方法不判断线程的执行状态,不用等到一个线程销毁后再创建一个线程,然后执行线程方法。线程执行的方法就是根据线程的Name找到一个指定数组的某一索引,并累加改变数组的值:01 /// 02 /// 将数组和线程数标志threadDone回到初始状态 03 /// 04 static void InitThreadPoolCounters() 05 { 06 threadDone = 0; 07 for (int i = 0; i < 10; i++) 08 { 09 threadPoolCounters[i] = 0; 10 } 11 } 12 13 /// 14 /// 初始化10个线程 15 /// 16 static void InitThreads() 17 { 18 for (int i = 0; i < 10; i++) 19 { 20 threads[i] = new Thread(new ThreadStart(Count2Thread)); 21 threads[i].IsBackground = true; 22 threads[i].Name = i.ToString();//将当前线程的Name赋值为数组索引,在Count2Thread方法中获取对应数组 23 } 24 } 25 26 /// 27 /// 开始多线程运算 28 /// 29 static void StartThreads() 30 { 31 done = false; 32 timer.Start(); 33 for (int i = 0; i < 10; i++) 34 { 35 threads[i].Start(); 36 } 37 } 其中,每一个线程需要执行的委托方法1 static void Count2Thread() 2 { 3 int n = Convert.ToInt32(Thread.CurrentThread.Name);//取数组索引 4 while (!done) 5 { 6 ++threadPoolCounters[n]; 7 } 8 Interlocked.Increment(ref threadDone);//以原子操作的形式保证threadDone递增 9 } 在测试过程中,我们看代码:01 // Create 10 threads and run them simultaneously 02 //一次性创建10个线程,然后遍历使线程执行运算 03 Console.WriteLine(); 04 InitThreadPoolCounters(); 05 InitThreads(); 06 StartThreads(); 07 while (threadDone != 10) { }; 08 Console.WriteLine("10 simultaneous threads:"); 09 for (int i = 0; i < 10; i++) 10 { 11 Console.WriteLine("T" + i.ToString() + " = " + threadPoolCounters[i].ToString() + " "); 12 total += threadPoolCounters[i]; 13 } 14 Console.WriteLine("Total = " + total.ToString()); 15 Console.WriteLine(); 最后算出这个数组的所有元素的总和,就是这10个线程在1000毫秒内所做的事情。其中, while (threadDone != 10) { };这个判断非常重要。这个方法看上去没心没肺,线程创建好就不管它的死活了(还是管活不管死?),所以效率应该不低。实际上,我在本地测试并看了一下输出,表面看来,按count大小逆序排列:C>A>B,这就说明多线程并不一定比单线程运行效率高。其实B之所以效率不佳,主要是由于这个方法大部分的”精力“花在线程的执行状态和销毁处理上。注意,其实C和A、B都没有可比性,因为C计算的是数组的总和,而A和B只是简单的对一个数字进行自加。ps:C这一块说的没有中心,想到哪写到哪,所以看起来写得很乱,如果看到这里您还觉着不知所云,建议先下载最后的demo,先看代码,再对照这篇文章。好了,到这里,我们对线程的创建和使用应该有了初步的了解。细心的人可能会发现,我们new一个Thread,然后给线程实例设置属性,比如是否后台线程等等,其实这部分工作可以交给下面介绍的线程池ThreadPool来做(D、E和F主要介绍线程池)。D、线程池ThreadPool在实际的项目中大家可能使用最多最熟悉的就是这个类了,所以没什么可说的:01 /// 02 /// ThreadPool测试 03 /// 04 static void QueueThreadPoolThreads() 05 { 06 done = false; 07 for (int i = 0; i < 10; i++) 08 { 09 ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(Count3Thread), i); 10 } 11 12 timer.Start(); 13 } 14 15 static void Count3Thread(object state) 16 { 17 int n = (int)state; 18 while (!done) 19 { 20 ++threadPoolCounters[n]; 21 } 22 Interlocked.Increment(ref threadDone); 23 } 我们知道线程池里的线程默认都是后台线程,所以它实际上简化了线程的属性设置,更方便异步编程。需要说明的是,线程池使用过程中会有这样那样的缺陷(虽然本文的几个线程池任务都不会受这种缺陷影响)。比如,我们一次性向线程池中加入100个任务,但是当前的系统可能只支持25个线程,并且每个线程正处于”忙碌“状态,如果一次性加入池中系统会处理不过来,那么多余的任务必须等待,这就造成等待的时间过长,系统无法响应。还好,ThreadPool提供了GetAvailableThreads方法,可以让你知道当前可用的工作线程数量。01 static void QueueThreadPoolThreads() 02 { 03 done = false; 04 for (int i = 0; i < 10; i++) 05 { 06 //ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(Count3Thread), i); //直接给程序池添加任务有时是很草率的 07 08 WaitCallback wcb = new WaitCallback(Count3Thread); 09 int workerThreads, availabeThreads; 10 ThreadPool.GetAvailableThreads(out workerThreads, out availabeThreads); 11 if (workerThreads > 0)//可用线程数>0 12 { 13 ThreadPool.QueueUserWorkItem(wcb, i); 14 } 15 else 16 { 17 //to do 可以采取一种策略,让这个任务合理地分配给线程 18 } 19 } 如果没有可用的工作线程数,必须设计一定的策略,让这个任务合理地分配给线程。也许就是类似于上面那样的限制,很多开发者都自己创建自己的线程池,同时也就有了后面的SmartThreadPool和ManagedThreadPool大展身手的机会。E、线程池SmartThreadPool大名鼎鼎的SmartThreadPool,但是我从来没在项目中使用过,所以只是找了一段简单的代码测试一下:01 /// 02 /// SmartThreadPool测试 03 /// 04 static void QueueSmartThreadPoolThreads() 05 { 06 SmartThreadPool smartThreadPool = new SmartThreadPool(); 07 // Create a work items group that processes 08 // one work item at a time 09 IWorkItemsGroup wig = smartThreadPool.CreateWorkItemsGroup(1); 10 11 done = false; 12 timer.Start(); 13 for (int i = 0; i < 10; i++) 14 { 15 wig.QueueWorkItem(new WorkItemCallback(Count4Thread), i); 16 } 17 // Wait for the completion of all work items in the work items group 18 wig.WaitForIdle(); 19 smartThreadPool.Shutdown(); 20 } 21 22 static object Count4Thread(object state) 23 { 24 int n = (int)state; 25 while (!done) 26 { 27 ++threadPoolCounters[n]; 28 } 29 Interlocked.Increment(ref threadDone); 30 return null; 31 } 自从收藏这个SmartThreadPool.dll后,我还从没有在项目中使用过。查看它的源码注释挺少也挺乱的,不知道有没有高人知道它的一个效率更好的方法。您也可以看看英文原文,自己尝试体验一下。如果您熟悉使用SmartThreadPool,欢迎讨论。F、线程池ManagedThreadPoolStephen Toub这个完全用C#托管代码实现的线程池也非常有名,在Marc Clifton的英文原文中,作者也不吝溢美之词,赞它“quite excellent”,于我心有戚戚焉:01 /// 02 /// ManagedThreadPool测试 03 /// 04 static void QueueManagedThreadPoolThreads() 05 { 06 done = false; 07 timer.Start(); 08 for (int i = 0; i < 10; i++) 09 { 10 Toub.Threading.ManagedThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(Count5Thread), i); 11 } 12 } 13 static void Count5Thread(object state) 14 { 15 int n = (int)state; 16 while (!done) 17 { 18 ++threadPoolCounters[n]; 19 } 20 Interlocked.Increment(ref threadDone); 21 } 对于这个托管的线程池,我个人的理解,就是它在管理线程的时候,这个池里还有一个缓存线程的池,即一个ArrayList对象。它一开始就初始化了一定数量的线程,并通过ProcessQueuedItems方法保证异步执行进入池中的队列任务(那个死循环有时可能导致CPU过分忙碌),这样在分配异步任务的时候,就省去了频繁去创建(new)一个线程。同时它在实现信号量(Semaphore)的同步和线程出入队列的设计上都可圈可点,非常巧妙,强烈推荐您阅读它的源码。G、并行运算下面的示例,我只使用了简单的System.Threading.Tasks.Parallel.For 对应的for 循环的并行运算:01 /// 02 /// 并行运算测试 03 /// 04 static void UseParallelTasks() 05 { 06 done = false; 07 timer.Start(); 08 // System.Threading.Tasks.Parallel.For - for 循环的并行运算 09 System.Threading.Tasks.Parallel.For(0, 10, (i) => { Count6Thread(i); }); 10 } 11 static void Count6Thread(object state) 12 { 13 int n = (int)state; 14 while (!done) 15 { 16 ++threadPoolCounters[n]; 17 } 18 Interlocked.Increment(ref threadDone); 19 } 没有什么要特殊说明的,就是新类库的使用。看代码,好像比使用线程或线程池更加简单直接,有机会争取多用一用。我在本地测试的时候,在Release版本下,按照count的大小逆序排列,总体上G>D>F>E。需要注意到一件事,就是SmartThreadPool中排入队列的任务是一个返回值为Object的委托类型,这和其他的几个没有返回的(void类型)不同。SmartThreadPool口碑还是不错的,也许是我没有正确使用它。最后小结一下:本文主要列举了C#中我所知道的几种常见的异步处理的方法,欢迎大家纠错或补充。

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