Thread 和 ThreadPool 簡單梳理（C#）【並行程式設計系列】

〇、前言

對於 Thread 和 ThreadPool 已經是元老級別的類了。Thread 是 C# 語言對執行緒物件的封裝，它從 .NET 1.0 版本就有了，然後 ThreadPool 是 .Net Framework 2.0 版本中出現的，都是相當成熟的存在。

當然，現在已經出現了 Task 和 PLinq 等更高效率的並行類，執行緒和執行緒池在實際開發中逐漸減少了，但是不能不知道他們的用法，因為總有需要對接的內容，別人用了你也得能看懂。

本文將結合範例，簡單介紹下 Thread 和 ThreadPool。

一、Thread 類

Thread 類的功能就是，建立和控制執行緒，設定其優先順序並獲取其狀態。

下邊程式碼簡單範例說明下 Thread 的相關內容：

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($"主執行緒 ({Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}) 即將退出 執行 Join() 方法。。。");
    // th2.Join();
    Console.WriteLine($"主執行緒 ({Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}) 即將退出。。。");
    //Console.ReadLine();
}
private static void ExecuteInForeground(object state)
{
    var sw = Stopwatch.StartNew();
    Console.WriteLine("執行緒 {0}: {1}, 優先順序: {2}",
                        Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
                        Thread.CurrentThread.ThreadState,
                        Thread.CurrentThread.Priority);
    do
    {
        Console.WriteLine("執行緒 {0}: 計時 {1:N2} 秒",
                            Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
                            sw.ElapsedMilliseconds / 1000.0);
        Thread.Sleep(500);
    } while (sw.ElapsedMilliseconds <= 5000);
    sw.Stop();
}

註釋部分三組執行緒啟動的結果如下三圖：

第 1 部分，是前臺執行緒，必須執行完畢，主執行緒才會退出，所以一直執行到 5s 之前。

第 2、3 部分，均為後臺執行緒，當主執行緒執行完成之時，無論是否執行完成直接中斷，所以只回圈了兩次就退出了。

關於 Join() 方法

程式碼中th2.Join()如果在後臺執行緒上執行，這結果如下圖，將會等待後臺執行緒完成後主執行緒才結束。

二、ThreadPool 類

由於執行緒物件的建立時需要分配記憶體，GC 過程中銷燬物件，然後整合零散的記憶體塊，從而佔用 CPU 資源，會影響程式效能，所以 ThreadPool 誕生了。

使用執行緒池，可以通過嚮應用程式提供由系統管理的工作執行緒池，來更有效的使用執行緒。
執行緒池可以通過重用執行緒、控制執行緒數量等操作，減少頻繁建立和切換執行緒所帶來的開銷，從而提高響應速度。
可直接使用執行緒池中空閒的執行緒，而不必等待執行緒的建立，方便管理執行緒。

注意，託管執行緒池中的執行緒是後臺執行緒，其 IsBackground 屬性為 true。

1、ThreadPool 的幾個屬性值

CompletedWorkItemCount：獲取迄今為止已處理的工作項數。
PendingWorkItemCount：獲取當前已加入處理佇列的工作項數。
ThreadCount：獲取當前存在的執行緒池執行緒數。

下面是一個關於執行緒池的幾個屬性值，以及開啟新的後臺執行緒並傳入引數的範例：

//存放要計算的數值的欄位
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($"執行緒池中輔助執行緒的最大數目：{workerThreads}");
    Console.WriteLine($"執行緒池中非同步 I/O 執行緒的最大數目：{completionPortThreads}");
    Console.WriteLine();
    // public static void GetMinThreads(out int workerThreads, out int completionPortThreads);
    ThreadPool.GetMinThreads(out workerThreads, out completionPortThreads);
    Console.WriteLine($"執行緒池根據需要建立的最少數量的輔助執行緒：{workerThreads}");
    Console.WriteLine($"執行緒池根據需要建立的最少數量的非同步 I/O 執行緒：{completionPortThreads}");
    Console.WriteLine();
    ThreadPool.SetMaxThreads(100, 15); // set 的值必須是 Min~Max 之間的值，否則會設定不成功
    ThreadPool.GetMaxThreads(out workerThreads, out completionPortThreads);
    Console.WriteLine($"set 執行緒池中輔助執行緒的最大數目：{workerThreads}");
    Console.WriteLine($"set 執行緒池中非同步 I/O 執行緒的最大數目：{completionPortThreads}");
    Console.WriteLine();

    // 命名引數 傳入後臺執行緒
    int num = 2;
    // 啟動第一個任務：計算x的8次方
    Console.WriteLine("啟動第一個任務：計算{0}的8次方.", num);
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(TaskProc1), num);
    // 啟動第二個任務
    Console.WriteLine("啟動第二個任務：計算{0}的8次方", num);
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(TaskProc2), num);
    // 等待兩個數值等完成計算
    while (num1 == -1 || num2 == -1) ;
    //列印計算結果
    Console.WriteLine($"{num} 的 8 次方為 {num1} {num2}");
    Console.ReadLine();
}
private static void TaskProc2(object state)
{
    Console.WriteLine($"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);
}

輸出結果：

2、由執行緒池生成一個可以取消的後臺執行緒

如下程式碼，在沒有單擊確認鍵之前，程式會一直列印遞增數位，當收到回車指令後，cts.Cancel();被執行，後臺執行緒就取消成功了。

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");
}

結果如下圖：

三、Thread 和 ThreadPool 效能比較

如下程式碼，分別執行 100 次，看最終需要的時間成本：

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("執行建立執行緒所需要的時間為：" + sw.ElapsedMilliseconds);
    sw.Restart();
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(t =>
        {
            int count = 0;
            count++;
        });
    }
    sw.Stop();
    Console.WriteLine("執行執行緒池所需要花費的時間：" + sw.ElapsedMilliseconds);
    Console.ReadLine();
}

如下圖，明顯執行緒池效能更佳：

參考：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)執行緒池的詳解及使用範例 .NET(C#) ThreadPool執行緒池的使用總結