掌握 C# 多线程与异步编程

news2024/10/4 22:33:44

现代应用程序通常需要执行复杂的计算或处理 I/O 操作，这些操作可能会导致主线程阻塞，从而降低用户体验。C# 提供了多线程与异步编程的多种工具，让我们能够高效地并发处理任务。本文将介绍 C# 中的多线程与异步编程，包括 Thread 类、任务并行库、async 和 await 异步编程，以及并行循环和 PLINQ。

1. 线程基础（Thread 类）

在 C# 中，Thread 类用于创建和管理独立的执行路径。每个线程都在单独的 CPU 核心上运行，可以并发处理多个任务。以下是 Thread 类的基本用法：

using System;
using System.Threading;

public class Program
{
    public static void PrintNumbers()
    {
        for (int i = 1; i <= 5; i++)
        {
            Console.WriteLine(i);
            Thread.Sleep(500);  // 模拟工作负载
        }
    }

    public static void Main()
    {
        Thread thread = new Thread(PrintNumbers);
        thread.Start();  // 启动新线程

        for (int i = 10; i <= 15; i++)
        {
            Console.WriteLine(i);
            Thread.Sleep(500);
        }
    }
}

在此示例中，主线程和新线程 thread 会并发执行，分别输出 1 到 5 和 10 到 15。

优点：Thread 类提供了对底层线程的直接控制。
缺点：创建和管理大量线程的开销较大，并且不便于资源管理。

2. 任务并行库（Task Parallel Library）

任务并行库 (Task Parallel Library, TPL) 简化了多线程编程，提供了 Task 类来抽象和管理并发任务。Task 更轻量级，且由运行时负责资源调度。Task.Run 可用于并行执行任务。

using System;
using System.Threading.Tasks;

public class Program
{
    public static void Main()
    {
        Task task = Task.Run(() =>
        {
            for (int i = 1; i <= 5; i++)
            {
                Console.WriteLine($"Task: {i}");
                Task.Delay(500).Wait();  // 模拟工作负载
            }
        });

        task.Wait();  // 等待任务完成
        Console.WriteLine("Task completed.");
    }
}

使用 TPL 的好处是，Task 可以简化线程管理，减少代码的复杂性。Task.Wait() 用于等待任务完成，而 Task.WhenAll 和 Task.WhenAny 可以实现多个任务的同步或竞赛。

3. async 与 await 异步编程

C# 提供的 async 和 await 关键字可以帮助我们编写简洁且高效的异步代码。在异步方法中使用 await 可以让方法在等待异步任务完成时不阻塞主线程。

using System;
using System.Threading.Tasks;

public class Program
{
    public static async Task PerformTaskAsync()
    {
        Console.WriteLine("Starting task...");
        await Task.Delay(2000);  // 异步等待
        Console.WriteLine("Task completed.");
    }

    public static async Task Main()
    {
        await PerformTaskAsync();
        Console.WriteLine("Program completed.");
    }
}

在这个示例中，PerformTaskAsync 是一个异步方法，使用 await Task.Delay(2000) 模拟异步任务执行。在等待时，主线程并不会被阻塞，可以处理其他任务。

优点：async 和 await 简化了异步代码编写，避免了回调地狱问题。
应用场景：适合需要等待 I/O 操作、网络请求等长时间任务的场景。

4. 并行循环与 PLINQ

并行循环 和 PLINQ（Parallel LINQ） 是 C# 中并行处理数据集合的两种方式，它们在多核系统上能够显著提高处理速度。

并行循环

Parallel.For 和 Parallel.ForEach 可以并行地处理集合中的元素，适合用于处理计算密集型任务。

using System;
using System.Threading.Tasks;

public class Program
{
    public static void Main()
    {
        Parallel.For(0, 5, i =>
        {
            Console.WriteLine($"Parallel loop: {i}");
            Task.Delay(500).Wait();  // 模拟工作负载
        });

        Console.WriteLine("Parallel loop completed.");
    }
}

在此示例中，Parallel.For 将 0 到 5 的迭代并行化执行。并行循环适用于处理大量数据的计算密集型任务。

PLINQ

PLINQ（Parallel LINQ）是 LINQ 的并行版本，它允许我们使用 LINQ 查询语法来处理集合，同时利用多核处理器并行执行查询。使用 .AsParallel() 即可将普通 LINQ 查询转为并行处理。

using System;
using System.Linq;

public class Program
{
    public static void Main()
    {
        int[] numbers = Enumerable.Range(1, 10).ToArray();

        var squaredNumbers = numbers.AsParallel()
                                    .Select(n => n * n)
                                    .ToArray();

        foreach (var num in squaredNumbers)
        {
            Console.WriteLine(num);
        }
    }
}

在此示例中，AsParallel() 将查询转换为并行操作，Select 中的运算会在多个线程上同时执行。这使得 PLINQ 特别适合处理大数据集的批量计算。