Thread 和 ThreadPool 简单梳理（C#）【并发编程系列】

〇、前言

对于 Thread 和 ThreadPool 已经是元老级别的类了。Thread 是 C# 语言对线程对象的封装，它从 .NET 1.0 版本就有了，然后 ThreadPool 是 .Net Framework 2.0 版本中出现的，都是相当成熟的存在。

当然，现在已经出现了 Task 和 PLinq 等更高效率的并发类，线程和线程池在实际开发中逐渐减少了，但是不能不知道他们的用法，因为总有需要对接的内容，别人用了你也得能看懂。

本文将结合示例，简单介绍下 Thread 和 ThreadPool。

一、Thread 类

Thread 类的功能就是，创建和控制线程，设置其优先级并获取其状态。

下边代码简单示例说明下 Thread 的相关内容：

public static void Main()
{
    // （1）
    //var th1 = new Thread(ExecuteInForeground);
    //th1.Start();
    // （2）
    //var th2 = new Thread(ExecuteInForeground);
    //th2.IsBackground = true;
    //th2.Start();
    // （3）
    //ThreadPool.QueueUserWorkItem(ExecuteInForeground);
    Thread.Sleep(1000);
    // Console.WriteLine($"主线程 ({Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}) 即将退出 执行 Join() 方法。。。");
    // th2.Join();
    Console.WriteLine($"主线程 ({Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}) 即将退出。。。");
    //Console.ReadLine();
}
private static void ExecuteInForeground(object state)
{
    var sw = Stopwatch.StartNew();
    Console.WriteLine("线程 {0}: {1}, 优先级: {2}",
                        Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
                        Thread.CurrentThread.ThreadState,
                        Thread.CurrentThread.Priority);
    do
    {
        Console.WriteLine("线程 {0}: 计时 {1:N2} 秒",
                            Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
                            sw.ElapsedMilliseconds / 1000.0);
        Thread.Sleep(500);
    } while (sw.ElapsedMilliseconds <= 5000);
    sw.Stop();
}

注释部分三组线程启动的结果如下三图：

  

第 1 部分，是前台线程，必须运行完毕，主线程才会退出，所以一直运行到 5s 之前。

第 2、3 部分，均为后台线程，当主线程运行完成之时，无论是否运行完成直接中断，所以只循环了两次就退出了。

关于 Join() 方法

代码中th2.Join()如果在后台线程上执行，这结果如下图，将会等待后台线程完成后主线程才结束。

  

二、ThreadPool 类

由于线程对象的创建时需要分配内存，GC 过程中销毁对象，然后整合零散的内存块，从而占用 CPU 资源，会影响程序性能，所以 ThreadPool 诞生了。

• 使用线程池，可以通过向应用程序提供由系统管理的工作线程池，来更有效的使用线程。
• 线程池可以通过重用线程、控制线程数量等操作，减少频繁创建和切换线程所带来的开销，从而提高响应速度。
• 可直接使用线程池中空闲的线程，而不必等待线程的创建，方便管理线程。

注意，托管线程池中的线程是后台线程，其 IsBackground 属性为 true。

1、ThreadPool 的几个属性值

• CompletedWorkItemCount：获取迄今为止已处理的工作项数。
• PendingWorkItemCount：获取当前已加入处理队列的工作项数。
• ThreadCount：获取当前存在的线程池线程数。

下面是一个关于线程池的几个属性值，以及开启新的后台线程并传入参数的实例：

//存放要计算的数值的字段
public static double num1 = -1;
public static double num2 = -1;
static void Main(string[] args)
{
    int workerThreads, completionPortThreads;
    // public static void GetMaxThreads (out int workerThreads, out int completionPortThreads);
    ThreadPool.GetMaxThreads(out workerThreads, out completionPortThreads);
    Console.WriteLine($"线程池中辅助线程的最大数目：{workerThreads}");
    Console.WriteLine($"线程池中异步 I/O 线程的最大数目：{completionPortThreads}");
    Console.WriteLine();
    // public static void GetMinThreads(out int workerThreads, out int completionPortThreads);
    ThreadPool.GetMinThreads(out workerThreads, out completionPortThreads);
    Console.WriteLine($"线程池根据需要创建的最少数量的辅助线程：{workerThreads}");
    Console.WriteLine($"线程池根据需要创建的最少数量的异步 I/O 线程：{completionPortThreads}");
    Console.WriteLine();
    ThreadPool.SetMaxThreads(100, 15); // set 的值必须是 Min~Max 之间的值，否则会设置不成功
    ThreadPool.GetMaxThreads(out workerThreads, out completionPortThreads);
    Console.WriteLine($"set 线程池中辅助线程的最大数目：{workerThreads}");
    Console.WriteLine($"set 线程池中异步 I/O 线程的最大数目：{completionPortThreads}");
    Console.WriteLine();

    // 命名参数 传入后台线程
    int num = 2;
    // 启动第一个任务：计算x的8次方
    Console.WriteLine("启动第一个任务：计算{0}的8次方.", num);
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(TaskProc1), num);
    // 启动第二个任务
    Console.WriteLine("启动第二个任务：计算{0}的8次方", num);
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(TaskProc2), num);
    // 等待两个数值等完成计算
    while (num1 == -1 || num2 == -1) ;
    //打印计算结果
    Console.WriteLine($"{num} 的 8 次方为 {num1} {num2}");
    Console.ReadLine();
}
private static void TaskProc2(object state)
{
    Console.WriteLine($"TaskProc2-Thread-{Thread.CurrentThread.IsBackground}");
    num1 = Math.Pow(Convert.ToDouble(state), 8);
}
private static void TaskProc1(object state)
{
    num2 = Math.Pow(Convert.ToDouble(state), 8);
}

输出结果：

  

2、由线程池生成一个可以取消的后台线程

如下代码，在没有单击回车键之前，程序会一直打印递增数字，当收到回车指令后，cts.Cancel();被执行，后台线程就取消成功了。

static void Main(string[] args)
{
    CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(t => Counts(cts.Token, 1000));
    Console.WriteLine("Press Any Key to cancel the operation");
    Console.ReadLine();
    cts.Cancel();
    Console.ReadLine();
}
private static void Counts(CancellationToken token, int CountTo)
{
    for (int count = 0; count < CountTo; count++)
    {
        if (token.IsCancellationRequested)
        {
            Console.WriteLine("Count is cancelled");
            break;
        }
        Console.WriteLine(count);
        Thread.Sleep(200);
    }
    Console.WriteLine("Count is stopped");
}

结果如下图：

  

三、Thread 和 ThreadPool 性能比较

如下代码，分别执行 100 次，看最终需要的时间成本：

public static void Main()
{
    Stopwatch sw = new Stopwatch();
    sw.Start();
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        Thread th = new Thread(() =>
        {
            int count = 0;
            count++;
        });
        th.Start();
    }
    sw.Stop();
    Console.WriteLine("运行创建线程所需要的时间为：" + sw.ElapsedMilliseconds);
    sw.Restart();
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(t =>
        {
            int count = 0;
            count++;
        });
    }
    sw.Stop();
    Console.WriteLine("运行线程池所需要花费的时间：" + sw.ElapsedMilliseconds);
    Console.ReadLine();
}

如下图，明显线程池性能更佳：

  

参考：https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.threadpool?view=net-7.0  

https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.thread?view=net-7.0  

C#(ThreadPool)线程池的详解及使用范例 .NET(C#) ThreadPool线程池的使用总结