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c# .NET core多线程的详细讲解

news 2025/10/19 6:24:18

在 .NET Core 中，多线程是实现并发执行任务的核心技术，可有效提升程序对 CPU 和 I/O 资源的利用率（如同时处理多个网络请求、并行计算等）。.NET Core 提供了丰富的多线程 API，从基础的 Thread 类到现代的 Task/async/await，再到并行计算库，覆盖了不同场景的需求。本文将从概念、核心 API、线程安全到实际应用，详细讲解 .NET Core 多线程编程。

一、多线程基础概念

  • 线程（Thread）：操作系统调度的最小单位，负责执行程序中的指令。一个进程（如一个 .NET 程序）可包含多个线程，共享进程的内存空间，但拥有独立的栈和寄存器。
  • 并发（Concurrency）：多个任务在同一时间段内交替执行（如单 CPU 核心通过快速切换线程实现“同时”执行）。
  • 并行（Parallelism）：多个任务在同一时刻真正同时执行（依赖多 CPU 核心，每个核心执行一个线程）。
  • 多线程的目的：
    • 提高 CPU 利用率（尤其 CPU 密集型任务，如数据分析、复杂计算）；
    • 避免单线程阻塞（尤其 I/O 密集型任务，如文件读写、网络请求时，线程无需等待 I/O 完成）。

二、.NET Core 多线程核心 API

.NET Core 提供了多层次的多线程 API，从底层的线程控制到高层的任务抽象，选择需结合场景（如任务类型、复杂度、是否需要返回值等）。

1. System.Threading.Thread：基础线程控制

Thread 类是最底层的线程 API，直接操作操作系统线程，适合需要细粒度控制线程（如优先级、前台/后台线程）的场景。

基本用法
using System;
using System.Threading;class ThreadDemo
{static void Main(){// 1. 创建线程：传入线程执行的方法（无参数）Thread thread1 = new Thread(PrintNumbers);// 2. 启动线程thread1.Start();// 3. 创建带参数的线程（参数必须是 object 类型）Thread thread2 = new Thread(PrintMessage);thread2.Start("Hello from thread2");  // 传递参数// 主线程执行Console.WriteLine("Main thread is running...");// 4. 等待线程执行完成（阻塞主线程）thread1.Join();  // 等待 thread1 结束thread2.Join();  // 等待 thread2 结束Console.WriteLine("All threads completed.");}// 线程执行的方法（无参数）static void PrintNumbers(){for (int i = 1; i <= 5; i++){Console.WriteLine($"Thread1: {i}");Thread.Sleep(100);  // 模拟工作（暂停 100ms，释放 CPU 给其他线程）}}// 线程执行的方法（带参数）static void PrintMessage(object message){string msg = message as string ?? "No message";for (int i = 1; i <= 3; i++){Console.WriteLine($"Thread2: {msg} - {i}");Thread.Sleep(150);}}
}

输出（顺序可能因线程调度不同而变化）：

Main thread is running...
Thread1: 1
Thread2: Hello from thread2 - 1
Thread1: 2
Thread2: Hello from thread2 - 2
Thread1: 3
Thread1: 4
Thread2: Hello from thread2 - 3
Thread1: 5
All threads completed.
关键属性与方法
  • IsBackground：设置为 true 时，线程为后台线程（进程退出时自动终止，如控制台程序主线程结束后，后台线程会被强制终止）；默认 false 为前台线程（进程需等待所有前台线程结束才退出）。
    thread1.IsBackground = true;  // 设为后台线程
  • Priority：设置线程优先级（Lowest/BelowNormal/Normal/AboveNormal/Highest），操作系统会优先调度高优先级线程（但不保证，受系统调度算法影响）。
  • Abort()：终止线程（已过时，可能导致资源泄漏，建议通过 CancellationToken 优雅终止）。
  • Join(int millisecondsTimeout)：等待线程完成，最多等待指定毫秒数。
优缺点
  • 优点：直接控制线程，适合需要设置优先级、前台/后台属性的场景。
  • 缺点：
    • 线程创建/销毁开销大（每个线程默认栈大小 1MB，且操作系统调度成本高）；
    • 不适合大量短期任务（如同时处理 1000 个请求，创建 1000 个线程会耗尽资源）；
    • 无内置返回值支持（需手动通过共享变量获取结果）。
2. ThreadPool：线程池管理

线程池是 .NET 维护的线程集合，用于复用线程（避免频繁创建/销毁），适合大量短期任务（如 Web 服务器处理请求、小计算任务）。线程池自动管理线程数量（默认最小 1 个，最大根据 CPU 核心动态调整）。

基本用法
using System;
using System.Threading;class ThreadPoolDemo
{static void Main(){// 1. 向线程池提交任务（无返回值）ThreadPool.QueueUserWorkItem(PrintNumbers);  // 无参数// 2. 提交带参数的任务ThreadPool.QueueUserWorkItem(PrintMessage, "Hello from ThreadPool");  // 参数作为第二个参数// 主线程等待（避免进程提前退出，因为线程池线程是后台线程）Console.WriteLine("Main thread waiting...");Thread.Sleep(2000);  // 等待足够长时间让线程池任务执行Console.WriteLine("Main thread exit.");}static void PrintNumbers(object? state)  // 线程池任务方法必须接受 object? 参数{for (int i = 1; i <= 5; i++){Console.WriteLine($"ThreadPool Task1: {i}");Thread.Sleep(100);}}static void PrintMessage(object? state){string msg = state as string ?? "No message";for (int i = 1; i <= 3; i++){Console.WriteLine($"ThreadPool Task2: {msg} - {i}");Thread.Sleep(150);}}
}
关键特性
  • 后台线程：线程池中的线程都是后台线程，进程退出时会被终止。
  • 线程复用：任务完成后，线程不会销毁，而是回到线程池等待新任务，减少开销。
  • 最大线程数控制：可通过 ThreadPool.SetMaxThreads 调整最大工作线程数和 I/O 完成端口线程数（通常无需手动调整，.NET 会自动优化）。
    // 获取当前线程池设置
ThreadPool.GetMaxThreads(out int workerThreads, out int completionPortThreads);
Console.WriteLine($"Max worker threads: {workerThreads}, Max completion threads: {completionPortThreads}");// 设置最大工作线程数（示例：设为 100）
ThreadPool.SetMaxThreads(100, completionPortThreads);
优缺点
  • 优点：减少线程创建开销，适合大量短期任务，自动管理线程数量。
  • 缺点：
    • 无法设置线程优先级（所有线程池线程优先级为 Normal）；
    • 无法直接获取任务返回值（需手动处理）；
    • 不适合长时间运行的任务（会占用线程池资源，导致其他任务等待）。
3. Task 与 Task<TResult>：基于任务的异步编程（TAP）

Task 是 .NET Core 推荐的现代异步编程模型（TAP：Task-based Asynchronous Pattern），抽象了线程的细节，专注于“任务”的执行和结果。Task 无返回值，Task<TResult> 有返回值，可通过线程池或单独线程执行。

基本用法（创建与等待任务）
using System;
using System.Threading.Tasks;class TaskDemo
{static async Task Main()  // 注意：Main 方法可声明为 async Task{// 1. 创建并启动任务（无返回值）：Task.Run 会将任务放入线程池Task task1 = Task.Run(() => {for (int i = 1; i <= 5; i++){Console.WriteLine($"Task1: {i}");Task.Delay(100).Wait();  // 模拟工作（类似 Thread.Sleep，但返回 Task）}});// 2. 创建带返回值的任务（Task<int>）Task<int> task2 = Task.Run(() => {int sum = 0;for (int i = 1; i <= 5; i++){sum += i;Console.WriteLine($"Task2: Adding {i}, sum={sum}");Task.Delay(150).Wait();}return sum;  // 返回结果});// 3. 等待任务完成（多种方式）// 3.1 同步等待（阻塞当前线程）task1.Wait();  // 等待 task1 完成// 3.2 异步等待（不阻塞当前线程，释放 CPU 给其他任务）int result = await task2;  // await 是关键：当前方法暂停，等待 task2 完成后再继续Console.WriteLine($"Task2 结果：{result}");  // 输出：15（1+2+3+4+5）// 4. 同时等待多个任务Task task3 = Task.Run(() => Console.WriteLine("Task3 完成"));Task task4 = Task.Run(() => Console.WriteLine("Task4 完成"));await Task.WhenAll(task3, task4);  // 等待所有任务完成Console.WriteLine("Task3 和 Task4 都已完成");}
}
async/await 语法（核心）

async/await 是简化 Task 编程的语法糖，让异步代码看起来像同步代码，避免“回调地狱”。

  • async：标记方法为异步方法，返回类型必须是 void（不推荐）、Task 或 Task<TResult>。
  • await：暂停当前方法执行，等待 Task 完成后再继续，期间不阻塞线程（线程可去执行其他任务）。

示例：I/O 密集型任务（文件读写）

using System;
using System.IO;
using System.Threading.Tasks;class AsyncAwaitDemo
{static async Task Main(){Console.WriteLine("开始读取文件...");string content = await ReadFileAsync("test.txt");  // 异步等待文件读取完成Console.WriteLine($"文件内容：{content}");}// 异步读取文件（I/O 密集型任务，适合用 async/await）static async Task<string> ReadFileAsync(string path){// 使用 File.ReadAllTextAsync（返回 Task<string>），并用 await 等待return await File.ReadAllTextAsync(path);  // 不阻塞线程，I/O 完成后自动回调}
}

为什么 I/O 密集型任务适合 async/await？
I/O 操作（如文件读写、网络请求）时，CPU 处于空闲状态（等待硬件响应）。async/await 会释放当前线程去处理其他任务，I/O 完成后再通过线程池线程继续执行后续代码，大幅提高线程利用率。

任务延续（ContinueWith）

任务完成后自动执行后续操作（无需显式等待）：

Task<int> task = Task.Run(() => 
{Console.WriteLine("任务执行中...");return 100;
});// 任务完成后执行延续操作
task.ContinueWith(t => 
{Console.WriteLine($"任务结果：{t.Result}，延续操作执行");
});// 等待所有操作完成
task.Wait();
优缺点
  • 优点：
    • 抽象线程细节，专注任务逻辑；
    • 支持返回值、异常处理、任务延续；
    • async/await 简化异步代码，避免回调嵌套；
    • 高效利用线程（尤其 I/O 密集型任务）。
  • 缺点：学习曲线较陡，需理解任务状态（Running/RanToCompletion/Faulted 等）。
4. Parallel 类：数据并行计算

Parallel 类用于数据并行（将数据分成多个部分，并行处理），适合 CPU 密集型任务（如大规模数据计算），自动利用多核 CPU 提高效率。

基本用法（Parallel.For 和 Parallel.ForEach）
using System;
using System.Threading.Tasks;class ParallelDemo
{static void Main(){// 1. Parallel.For：并行循环（类似 for 循环）Console.WriteLine("Parallel.For 开始...");Parallel.For(0, 10, i =>  // 从 0 到 10（不包含 10），并行执行每个 i{Console.WriteLine($"For 循环：i={i}，线程 ID={Task.CurrentId}");Task.Delay(100).Wait();  // 模拟计算});Console.WriteLine("Parallel.For 结束\n");// 2. Parallel.ForEach：并行遍历集合（类似 foreach）int[] numbers = { 1, 2, 3, 4, 5 };Console.WriteLine("Parallel.ForEach 开始...");Parallel.ForEach(numbers, num =>  // 并行处理 numbers 中的每个元素{int square = num * num;Console.WriteLine($"ForEach：{num} 的平方是 {square}，线程 ID={Task.CurrentId}");Task.Delay(150).Wait();});Console.WriteLine("Parallel.ForEach 结束");}
}

输出特点：循环/遍历的顺序是无序的（多个线程同时执行），线程 ID 可能重复（线程池复用线程）。

取消并行操作（CancellationToken）
using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;class ParallelCancellationDemo
{static void Main(){CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();// 启动一个任务，300ms 后取消并行操作Task.Run(() => {Task.Delay(300).Wait();cts.Cancel();  // 发送取消信号Console.WriteLine("已发送取消信号");});try{// 并行循环，支持取消Parallel.For(0, 100, new ParallelOptions{CancellationToken = cts.Token,  // 传入取消令牌MaxDegreeOfParallelism = 4  // 最大并行度（同时运行的线程数）}, i => {Console.WriteLine($"处理 i={i}");Task.Delay(100).Wait();  // 模拟计算cts.Token.ThrowIfCancellationRequested();  // 检查是否取消});}catch (OperationCanceledException){Console.WriteLine("并行操作已取消");}}
}
优缺点
  • 优点：自动利用多核 CPU，简化并行循环代码，适合 CPU 密集型任务。
  • 缺点：
    • 不适合依赖顺序的任务（并行执行顺序无序）；
    • 过度并行（如 MaxDegreeOfParallelism 过大）会导致线程切换开销增加，反而降低性能。
5. PLINQ（Parallel LINQ）

PLINQ 是 LINQ 的并行版本，通过 AsParallel() 将查询转换为并行执行，自动利用多核处理大数据集。

基本用法
using System;
using System.Linq;class PlinqDemo
{static void Main(){// 生成 10000 个随机数int[] numbers = Enumerable.Range(1, 10000).Select(_ => new Random().Next(1, 1000)).ToArray();// 普通 LINQ（单线程）：筛选偶数并计算平方和var normalQuery = numbers.Where(n => n % 2 == 0).Select(n => n * n).Sum();Console.WriteLine($"普通 LINQ 结果：{normalQuery}");// PLINQ（并行）：通过 AsParallel() 启用并行var parallelQuery = numbers.AsParallel()  // 转换为并行查询.Where(n => n % 2 == 0).Select(n => n * n).Sum();Console.WriteLine($"PLINQ 结果：{parallelQuery}");  // 结果与普通 LINQ 相同（计算逻辑一致）}
}
关键操作
  • AsParallel()：将序列转换为并行查询。
  • WithDegreeOfParallelism(n)：限制并行度（最多 n 个线程）。
  • AsOrdered()：保持查询结果的顺序（默认并行查询结果无序）。

三、线程安全：避免竞态条件

多线程共享数据时，若多个线程同时读写同一资源，可能导致竞态条件（数据不一致）。.NET Core 提供了多种线程同步机制保证线程安全。

1. lock 语句（最常用）

lock 确保同一时间只有一个线程执行代码块，本质是对 Monitor.Enter 和 Monitor.Exit 的封装。

using System;
using System.Threading.Tasks;class LockDemo
{private static int _count = 0;private static readonly object _lockObj = new object();  // 锁对象（必须是引用类型，且唯一）static void Main(){// 10 个线程同时递增 _countTask[] tasks = new Task[10];for (int i = 0; i < 10; i++){tasks[i] = Task.Run(IncrementCount);}Task.WaitAll(tasks);Console.WriteLine($"最终 count 值：{_count}");  // 若不加锁，结果可能小于 10000；加锁后一定是 10000}static void IncrementCount(){for (int i = 0; i < 1000; i++){lock (_lockObj)  // 同一时间只有一个线程进入此代码块{_count++;  // 临界区：对共享资源的操作}}}
}

注意：

  • 锁对象必须是 static readonly（避免被修改或回收）；
  • 锁的范围应尽可能小（只包裹临界区），减少线程阻塞时间。
2. Interlocked 类：原子操作

Interlocked 提供原子操作（不可中断的操作），适合简单的数值增减、赋值等，性能优于 lock。

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;class InterlockedDemo
{private static int _count = 0;static void Main(){Task[] tasks = new Task[10];for (int i = 0; i < 10; i++){tasks[i] = Task.Run(IncrementCount);}Task.WaitAll(tasks);Console.WriteLine($"最终 count 值：{_count}");  // 10000}static void IncrementCount(){for (int i = 0; i < 1000; i++){Interlocked.Increment(ref _count);  // 原子递增（线程安全）}}
}

常用方法：Increment（递增）、Decrement（递减）、Add（相加）、Exchange（赋值）、CompareExchange（比较并交换）。

3. 并发集合（System.Collections.Concurrent）

为多线程设计的集合类，无需手动加锁即可安全访问，如：

  • ConcurrentDictionary<TKey, TValue>：线程安全的字典；
  • ConcurrentQueue<T>：线程安全的队列；
  • ConcurrentStack<T>：线程安全的栈。
using System;
using System.Collections.Concurrent;
using System.Threading.Tasks;class ConcurrentCollectionDemo
{static void Main(){// 线程安全的字典ConcurrentDictionary<int, string> dict = new ConcurrentDictionary<int, string>();// 10 个线程同时添加键值对Parallel.For(0, 10, i => {// TryAdd：原子操作，添加成功返回 truebool added = dict.TryAdd(i, $"Value_{i}");Console.WriteLine($"添加 {i}: {added}");});// 遍历结果foreach (var item in dict){Console.WriteLine($"{item.Key}: {item.Value}");}}
}

四、多线程适用场景与最佳实践

1. 适用场景
  • CPU 密集型任务：如数据分析、数学计算、图像处理等，适合用 Parallel、PLINQ 或 Task.Run（利用多核并行计算）。
  • I/O 密集型任务：如文件读写、数据库操作、网络请求等，适合用 async/await（不阻塞线程，提高利用率）。
2. 最佳实践
  • 优先使用 Task/async/await：现代 .NET 开发的推荐方式，兼顾性能和代码可读性。
  • 避免创建大量线程：优先使用线程池或 Task，减少线程创建开销。
  • 最小化锁范围：lock 只包裹必要的临界区，避免线程长时间阻塞。
  • 使用并发集合：多线程操作集合时，优先用 ConcurrentDictionary 等，避免手动加锁。
  • 避免 Thread.Sleep：改用 Task.Delay（非阻塞，释放线程）。
  • 正确处理异常：Task 异常需通过 await 或 Task.Wait() 捕获，否则可能导致程序崩溃。

总结

.NET Core 多线程编程提供了从底层 Thread 到高层 Task/async/await 的完整 API 体系：

  • 简单短期任务：用 ThreadPool 或 Task.Run；
  • I/O 密集型任务：用 async/await 最大化线程利用率；
  • CPU 密集型并行计算：用 Parallel 或 PLINQ；
  • 细粒度线程控制：用 Thread 类（谨慎使用）。

核心是根据任务类型选择合适的 API，并通过 lock、Interlocked 或并发集合保证线程安全，最终实现高效、稳定的并发程序。

http://www.dtcms.com/a/498742.html

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