【C#进阶】多线程和异步编程_2024-06-22

关于多线程和异步编程简单来说，就是多线程并行执行任务提速，异步编程等待不浪费资源，并发集合确保数据访问安全，三者合力提升程序效率与反应能力。

1. 理解线程

想象一下，你在厨房做饭，同时需要洗菜、切菜、炒菜。如果你一个人来做，就需要在这些任务之间来回切换，这很慢。但如果请几个朋友帮忙，每人负责一项任务，大家同时工作，效率就高多了。这里的“朋友”就像是计算机中的“线程”。

线程就是计算机程序中执行任务的最小单位。一个程序默认启动时只有一个主线程，但可以通过创建额外的线程来同时执行多个任务，这就是多线程。

示例代码：

using System;
using System.Threading;

class MultiThreadingDemo
{
    static void Main()
    {
        // 这是主线程
        Console.WriteLine("主线程开始");
        
        // 创建并启动一个新的线程
        Thread thread = new Thread(DoWork);
        thread.Start();
        
        Console.WriteLine("主线程继续做其他事情");
        
        // 等待新线程完成（非必须，这里为了演示）
        thread.Join();
        
        Console.WriteLine("所有任务完成，主线程结束");
    }
    
    static void DoWork()
    {
        Console.WriteLine("新线程开始执行任务");
        Thread.Sleep(2000); // 模拟耗时操作
        Console.WriteLine("新线程任务完成");
    }
}

注释说明：这段代码中，Main方法所在的线程是主线程，它创建了一个新线程DoWork去执行一个耗时任务。Thread.Sleep(2000)模拟了这个耗时操作，让新线程暂停2秒，期间主线程可以继续执行其他任务。

2. Task和异步编程模型（async和await）

有时候，我们不希望直接管理线程，而是希望程序自动为我们处理并发问题。这时候，就可以使用.NET提供的Task和async/await关键字。

想象你在等待外卖，你可以选择一直站在门口等（阻塞），也可以继续做其他事，听到门铃响再去拿（异步）。async/await就是让你的程序在等待某些耗时操作（如网络请求）时，可以去做别的事，不浪费时间。

示例代码：

using System;
using System.Threading.Tasks;

class AsyncDemo
{
    static async Task Main()
    {
        Console.WriteLine("开始下载文件");
        
        // 异步下载文件，不会阻塞主线程
        await DownloadFileAsync();
        
        Console.WriteLine("文件下载完成");
    }
    
    static async Task DownloadFileAsync()
    {
        // 模拟文件下载耗时操作
        await Task.Delay(2000);
        Console.WriteLine("文件下载中...");
    }
}

注释说明：DownloadFileAsync方法模拟了文件下载，使用Task.Delay(2000)模拟耗时操作。await关键字让调用它的方法（这里是Main方法）在等待时可以“放手”，去做其他事情，直到DownloadFileAsync完成才继续往下执行。

3. 并发集合和线程安全

当你在多线程环境下访问和修改共享数据时，可能会遇到数据不一致的问题，这叫做“竞态条件”。为了解决这个问题，.NET提供了线程安全的集合，比如ConcurrentDictionary。

想象你和朋友同时编辑一份购物清单，如果不小心同时添加了同样的物品，就会出错。线程安全的集合就像每个人都有自己的笔，在写之前先确认没人同时写，保证清单的正确性。

示例代码：

using System.Collections.Concurrent;
using System.Threading.Tasks;

class ThreadSafeCollectionsDemo
{
    static ConcurrentDictionary<string, int> shoppingList = new ConcurrentDictionary<string, int>();

    static async Task AddItemAsync(string item)
    {
        // 尝试添加或更新数量，线程安全
        shoppingList.AddOrUpdate(item, 1, (key, oldValue) => oldValue + 1);
        await Task.Yield(); // 模拟一点点耗时，让并发效果更明显
    }

    static async Task Main()
    {
        var tasks = new Task[10];
        
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            tasks[i] = AddItemAsync("苹果");
        }
        
        await Task.WhenAll(tasks);
        
        foreach (var item in shoppingList)
        {
            Console.WriteLine($"{item.Key}: {item.Value}");
        }
    }
}

注释说明：这段代码展示了如何使用ConcurrentDictionary来安全地在多线程环境下添加购物清单项。即使多个线程同时尝试添加“苹果”，AddOrUpdate方法也会确保不会有重复计数的问题。

总结：

1. 多线程入门：线程是程序执行任务的基本单位，多线程允许程序同时执行多个任务，如同厨房里多位厨师同时准备不同菜肴，显著提升工作效率。通过创建和管理线程，你能使程序运行更加流畅，响应更快。

2. 异步编程与Task：async和await关键字是C#中异步编程的核心，它们使程序能在等待耗时操作（如网络请求、磁盘I/O）时释放当前线程去做其他工作，如同等待外卖时可以继续做家务，不白白浪费时间，从而优化程序的整体性能。

3. 并发集合与线程安全：在多线程环境中，直接访问共享数据可能导致数据不一致性问题。ConcurrentDictionary等并发集合为此而生，它们内置同步机制，确保了多线程访问时的数据安全，有效避免了竞态条件，让数据操作既高效又可靠。

这些知识点相互支撑，构成了处理并发问题、提升程序效率与稳定性的坚实基础。掌握它们，你就能在编写高质量、高性能应用程序的道路上迈出重要一步。