异步多线程 Thread ThreadPool Task

一、线程 Thread ThreadPool

　　线程是Windows任务调度的最小单位，线程是程序中的一个执行流，每个线程都有自己的专有寄存器(栈指针、程序计数器等)，但代码区是共享的，即不同的线程可以执行同样的函数；多线程的意义在于一个应用程序中，有多个执行部分可以同时执行，一个进程中可以同时创建多个线程同时执行；对于比较耗时的操作(例如io，数据库操作)，或者等待响应(如WCF通信)的操作，可以单独开启后台线程来执行；这样主线程就不会阻塞，可以继续往下执行；等到后台线程执行完毕，再通知主线程，然后做出对应操作。

1、线程分前台线程和后台线程

　　前台线程：应用程序必须运行完所有的前台线程才可以退出。

　　应用程序的主线程以及使用Thread构造的线程都默认为前台线程；主线程执行完毕后，会等待所有子线程（前台）执行完毕后，才退出程序；前台线程可以修改为后台线程，方式是设置Thread.IsBackground 属性。

　　后台线程：应用程序则可以不考虑其是否已经运行完毕而直接退出，所有的后台线程在应用程序退出时都会自动结束。

　　主线程执行完毕后，直接退出程序，不论子线程（后台线程）是否执行完毕，线程池线程都是后台线程，Task工厂创建的线程也是后台线程；后台线程不会阻止进程的终止。属于某个进程的所有前台线程都终止后，该进程就会被终止；所有剩余的后台线程都会停止且不会完成。

2、前后台线程使用场景

　　后台线程非常适合于完成后台任务，应该将被动侦听活动的线程设置为后台线程，而将负责发送数据的线程设置为前台线程，这样，在所有的数据发送完毕之前该线程不会被终止。一般前台线程用于需要长时间等待的任务，比如监听客户端的请求；后台线程一般用于处理时间较短的任务，比如处理客户端发过来的请求信息。

3、线程调度 优先级　　

　　在windows上执行的线程在执行了一定时间（一个时间片，一般30ms）后，windows将会进行“调度”，让其他线程占用CPU执行，而线程优先级来确定调度顺序。也就是说如果存在一个优先级是25的线程能够执行，那么windows将不会调用优先级为24的线程。而windows是一种“抢占式”的操作系统（操作系统将定期的中断当前正在执行的线程，将ＣＰＵ分配给在等待队列的下一个线程），如果一个具有较高优先级的线程准备好运行，并且当前运行的是较低优先级的线程，windows将迫使较低优先级线程停止运行，开始运行较高优先级的线程。

　　由于windows上线程调用是通过线程的优先级来实现的，如果想让一个应用程序能够被尽量多的调度，就需要设置线程的优先级， 可以通过Thread的Priority属性设置，以影响线程的基本优先级。Priority属性需要一个ThreadPriority枚举定义的值。

Highest > AboveNormal >  Normal >  BelowNormal > Lowest

　　线程池线程的优先级默认为Normal,Thread创建的线程也是Normal

4、Thread

　　创建和销毁线程（Thread）是一个要耗费大量时间的过程，另外，太多的线程也会浪费内存资源，所以通过Thread类来创建过多的线程反而有损于性能，为了改善这样的问题 引入了线程池。

5、ThreadPool

　　线程池形象的表示就是存放应用程序中使用的线程的一个集合。CLR初始化时，线程池中是没有线程的，在内部， 线程池维护了一个操作请求队列，当应用程序想执行一个异步操作时，就调用一个方法，就将一个任务放到线程池的队列中，线程池中代码从队列中提取任务，将这个任务委派给一个线程池线程去执行，当线程池线程完成任务时，线程不会被销毁，而是返回到线程池中，等待响应另一个请求。由于线程不被销毁， 这样就可以避免因为创建线程所产生的性能损失。

　　ThreadPool线程分Worker线程和IO线程

　　Worker线程：用来完成一些计算的任务，需要CPU不间断地处理，CPU和线程的资源是充分利用的。QueueUserWorkItem方法一般会使用工作者线程。

　　IO线程：主要用来完成输入和输出的工作。输入输出操作分成三个步骤：启动、实际输入输出、处理结果。用于实际输入输出可由硬件（IO设备）完成，并不需要CPU的参与，正在运行的线程将处于等待状态，只有等任务完成后才会有事可做， 这样就造成线程资源浪费的问题，异步编程，就是在此处进行动作，让线程不等待，直接回到线程池，而启动和处理结果使用IO线程，而且它们可以在不同一个IO线程上。

　　不适合线程池的场景：

　　（1）、线程池内的所有线程都是默认Normal优先级，要调整线程的优先级，不要使用线程池线程。

　　（2）、如果任务执行的时间比较长的话，建议还是自己开线程，因为有可能阻塞了线程池里面的线程最终导致线程池的线程被耗光。

　　（3）、如果任务是要马上执行的，建议还是不要使用线程池，因为往线程池提交的任务都需要排队。

　　注意：手动创建的Thread和线程池里的线程没有任何关系。

6、Thread ThreadPool 使用推荐

　　推荐使用线程池线程而非新建线程(Thread)。因为就算只是单纯的新建一个线程，这个线程什么事情也不做，都大约需要1M的内存空间来存储执行上下文数据结构，并且线程的创建与回收也需要消耗资源，耗费时间。而线程池的优势在于线程池中的线程是根据需要创建与销毁，是最优的存在。

　　然而，线程池线程是后台线程，主线程执行完毕后，不会等待后台线程而直接结束程序。.NET Framework4.0提供的Task，可以解决此类问题。

二、Task

　　ThreadPool优于Thread,但是线程池也有以下缺点：

　　（1）、没有一个内建的机制让你知道操作在什么时候完成，也没有一个机制在操作完成是获得一个返回值

　　（2）、不支持线程的取消、完成、失败通知等交互性操作

　　（3）、不支持线程执行的先后次序，如上边，主线程不会等待后台线程池线程执行结束而直接结束。

　　.NET Framework4.0提供的Task在线程池的基础上进行了优化，并提供了更多的API，能解决上述缺点，编写多线程程序，Task已经优于传统的Thread ThreadPool方式。

　　Task是更上层的封装，底部还是通过Thread或者ThreadPool实现的。

1、Task性能更优于ThreadPool

　　1）ThreadPool的代码将以先进先出的算法存储在全局队列中，并且多个工作者线程之间竞争同一个同步锁。（这就Task性能优于ThreadPool的第一个原因）

　　2）Task的代码将以先进后出的算法存储在本地队列中，工作者线程执行本地队列中的代码没有同步锁的限制（这是Task性能优于ThreadPool的第二个原因），并且当工作者线程2空闲并且工作者线程1忙碌时，工作者线程2会尝试从工作者线程1（或者别的忙碌的工作者线程）的本地队列尾部“偷”任务，并会获取一个同步锁，不过这种行为很少发生。

　　

2、Task.Wait

　　同于Thread.Join()方法，主线程上等待另一线程执行完成，可以设置时间，在这个时间没到或另外一个线程没执行完之前，当前线程会等待。另外,Task.Result会调用Wait方法。调用Wait或者Result可以确保代码捕获到异常，并从异常中恢复。

3、Task.FromResult

　　创建一个带返回值的、已完成的Task（获取该Task后，直接Result，否则，Task都要run后才能获取结果）

　　场景1：以同步的方式实现一个异步接口方法

　　一个接口包含异步方法

interface IMyInterface
{
    Task<int> DoSthAsync();
}

　　以同步的方式实现该接口方法DoSthAsync，但要返回异步的结果，没有使用async/await

　　实现类MyClass的DoSthAsync方法中，都是以同步方式实现，但返回结果要是Task<int>,使用Task.FromResult刚好能返回一个带值的异步结果。

public class MyClass : IMyInterface
{
    public Task<int> DoSthAsync()
    {
        int result = ;
        return Task.FromResult(result);
    }
}

　　场景2：从缓存中获取值，以同步或者异步的方式实现

　　需要根据key从缓存中获取值，如果每个key对应的缓存存在，就直接中缓存中获取值,即同步方式获取一部结果（FromResult）,如果不存在，就需要以异步的方式获取缓存。

　　异步获取缓存的方法（async /await）：

　　

private async Task<string> GetValueAsync(int key)
{
　　//可能是访问数据库（IO）
    string result = await SomeAsyncMethod();
    cache.TrySetValye(key, result);
    return result;
}

　　以下方法来获取缓存中的值，有可能是异步方式，也有可能是同步的方式(从本地缓存中获取，FromResult)

//返回的都是异步结果Task<>
public Task<string> GetValueFromCache(int key)
{
    string result = string.Empty;
    //本地缓存存在，就以同步方式获取一部结果（FromResult方法）
    if(cache.TryGetValue(key, out result))
    {
        return Task.FromResult(result);
    }
　　 //缓存中不存在，就通过异步方法获取
    return GetValueAsync(key);
}

　　注意，这个方法没有使用async/await,返回值是Task，而且直接调用一部方法GetValueAsync，其里边使用了async/await,相当于是同步调用了一部。

　　另外，如果使用Task.FromResult不带返回值，就使用Task.FromResult(0) 或 Task.FromResult(null)。