C#异步和多线程以及Thread、ThreadPool、Task区别和使用方法

文章概述

本文旨在帮助读者理解C#中的异步编程与多线程概念，探讨如何在C#中实现多线程，并对比分析不同实现方法的特点及其适用场景。全文分为两大部分，第一部分介绍异步编程模式async/await及其与多线程的区别，第二部分则聚焦于C#中实现多线程的三种主要方法：Thread、ThreadPool和Task。

第一部分：异步编程模式 async/await 与多线程的区别

1.1 异步编程模式简介

异步编程模式是一种编程接口设计，主要用于处理并发流程需求。async/await是C#中实现异步编程的主要方式之一。这种模式允许开发者编写非阻塞代码，提高程序的响应性和效率。

1.2 async/await 使用示例

static void Main(string[] args)
{
    _ = Async1();
    Console.WriteLine("...............按任意键退出");
    Console.ReadKey();
}

static async Task Async1()
{
    Console.WriteLine("异步开始");
    var r = await Async2();
    var x = await Async3(r);
    Console.WriteLine("结果是 {0}", r + x);
}

static async Task<int> Async2()
{
    await Task.Delay(1000); // 异步延迟方法
    return 100;
}

static async Task<int> Async3(int x)
{
    await Task.Delay(1000);
    return x % 7;
}

执行结果：

通过上述代码可以看到，async关键字修饰的方法为异步方法，而await关键字用于标记异步操作的开始点。只有当两者配合使用时，方法才会真正实现异步执行。

1.3 async/await 的特点

• 异步执行：在遇到await关键字时，方法会暂停执行，不会阻塞当前线程，而是允许其他任务继续运行。
• 代码可读性：虽然async/await提高了代码的并发能力，但在某些情况下，可能会降低代码的可读性。
• 返回值类型：async方法可以返回void、Task或Task<T>。

第二部分：C# 多线程实现方法

2.1 Thread 类

Thread类是最基本的多线程实现方式，适用于需要长时间运行的线程。

2.1.1 Thread 使用示例

static void Main(string[] args)
{
    Thread thread = new Thread(Fun1);
    // Thread thread = new Thread(() => Fun1(0)); // 多线程调用时有参数传递的写法
    Console.WriteLine("异步开始");
    // thread.IsBackground = true; // 设置为后台线程
    thread.Start();

    Console.WriteLine("...............按任意键退出");
    Console.ReadKey();
}

static void Fun1()
{
    var r = Fun2();
    var x = Fun3(r);
    Console.WriteLine("结果是 {0}", r + x);
}

static int Fun2()
{
    Thread.Sleep(1000);
    return 100;
}

static int Fun3(int x)
{
    Thread.Sleep(1000);
    return x % 7;
}

执行结果：

2.1.2 Thread 的特点

• 内存消耗：每次创建新的Thread对象都会消耗一定的内存（约1MB）。
• 线程类型：默认为前台线程，可以通过IsBackground属性设置为后台线程。
• 参数传递：可以通过Start方法传递参数，但参数类型必须为object。

2.2 ThreadPool 线程池

ThreadPool适用于需要频繁创建和销毁线程且每个线程运行时间较短的场景。

2.2.1 ThreadPool 使用示例

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主线程执行！");

    ThreadPool.SetMinThreads(1, 1); // 设置最小线程数
    ThreadPool.SetMaxThreads(5, 5); // 设置最大线程数

    for (int i = 1; i <= 10; i++)
    {
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(testFun), i);
    }

    Console.WriteLine("主线程结束！");

    Console.WriteLine("...............按任意键退出");
    Console.ReadKey();
}

public static void testFun(object obj)
{
    Console.WriteLine(string.Format("{0}:第{1}个线程", DateTime.Now.ToString(), obj.ToString()));
    Thread.Sleep(5000);
}

2.2.2 ThreadPool 的特点

• 线程池特性：线程池是一个静态类，通过QueueUserWorkItem方法将工作项加入线程池。
• 性能优势：避免了频繁创建和销毁线程的开销，提高了程序性能。
• 线程管理：无法直接控制线程的开始、挂起和终止。

2.3 Task 类

Task类是C#中推荐的多线程实现方式，适用于大多数场景。

2.3.1 Task 使用示例

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主线程执行！");

    // 方法一
    Task t1 = new Task(() =>
    {
        Console.WriteLine("方法1的任务开始工作……");
        Thread.Sleep(5000);
        Console.WriteLine("方法1的任务工作完成……");
    });
    t1.Start();

    // 方法二
    Task.Run(() =>
    {
        Console.WriteLine("方法2的任务开始工作……");
        Thread.Sleep(5000);
        Console.WriteLine("方法2的任务工作完成……");
    });

    // 方法三
    var t3 = Task.Factory.StartNew(() =>
    {
        Console.WriteLine("方法3的任务开始工作……");
        Thread.Sleep(5000);
        Console.WriteLine("方法3的任务工作完成……");
    });

    Console.WriteLine("主线程结束！");

    Console.WriteLine("...............按任意键退出");
    Console.ReadKey();
}

2.3.2 Task 的特点

• 灵活性：提供了丰富的API，支持多种管理和控制方法。
• 性能优化：使用本地队列减少线程之间的资源竞争。
• 返回值：可以通过Task<T>获取任务的返回值。

2.4 Task 的高级用法

2.4.1 带返回值的 Task

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主线程执行！");

    Task<int> task = CreateTask("Task 1");
    task.Start();
    int result = task.Result;
    Console.WriteLine("Task 1 Result is: {0}", result);
    Console.WriteLine("主线程结束！");

    Console.WriteLine("...............按任意键退出");
    Console.ReadKey();
}

static Task<int> CreateTask(string name)
{
    return new Task<int>(() => TaskMethod(name));
}

static int TaskMethod(string name)
{
    Console.WriteLine("Task {0} is running on a thread id {1}. Is thread pool thread: {2}",
        name, Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread);
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
    return 42;
}

2.4.2 ContinueWith 方法

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主线程执行！");

    Task t1 = new Task(() =>
    {
        Console.WriteLine("方法1的任务开始工作……");
        Thread.Sleep(5000);
        Console.WriteLine("方法1的任务工作完成……");
    });
    t1.Start();

    t1.ContinueWith(t =>
    {
        Console.WriteLine("方法1的任务工作完成了!");
    });

    Console.WriteLine("主线程结束！");

    Console.WriteLine("...............按任意键退出");
    Console.ReadKey();
}

2.4.3 Task.WaitAll 方法

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("主线程执行！");

    Task t1 = new Task(() =>
    {
        Console.WriteLine("方法1的任务开始工作……");
        Thread.Sleep(5000);
        Console.WriteLine("方法1的任务工作完成……");
    });
    t1.Start();

    Task t2 = new Task(() =>
    {
        Console.WriteLine("方法2的任务开始工作……");
        Thread.Sleep(5000);
        Console.WriteLine("方法2的任务工作完成……");
    });
    t2.Start();

    Task.WaitAll(t1, t2);

    Console.WriteLine("主线程结束！");

    Console.WriteLine("...............按任意键退出");
    Console.ReadKey();
}

总结

多线程是实现异步的一种方法，C#中常用的多线程实现方式包括Thread、ThreadPool和Task。具体选择哪种方法取决于应用场景：

• 长时间运行的线程：推荐使用Thread。
• 频繁创建和销毁线程且运行时间较短：推荐使用ThreadPool。
• 其他一般场景：推荐使用Task，因其灵活性和性能优势。

希望本文能帮助读者更好地理解和应用C#中的异步编程和多线程技术。

参考资料

• 清华大学出版社《C#从入门到精通(第3版)》
• 浅析C#中的Thread ThreadPool Task和async/await
• 谈谈C#的异步和多线程
• C#多线程与异步的区别
• c#的async到不是不是异步,它和多线程是什么关系
• C#线程Thread类
• C#多线程--线程池（ThreadPool）
• C#Task详解