一.多線程的概念
Windows是一個多任務的系統，如果你使用的是windows 2000及其以上版本，你可以通過任務管理器查看當前系統運行的程序和進程。什麼是進程呢？當一個程序開始運行時，它就是一個進程，進程所指包括運行中的程序和程序所使用到的內存和系統資源。而一個進程又是由多個線程所組成的，線程是程序中的一個執行流，每個線程都有自己的專有寄存器(棧指針、程序計數器等)，但代碼區是共享的，即不同的線程可以執行同樣的函數。多線程是指程序中包含多個執行流，即在一個程序中可以同時運行多個不同的線程來執行不同的任務，也就是說允許單個程序創建多個並行執行的線程來完成各自的任務。瀏覽器就是一個很好的多線程的例子,在瀏覽器中你可以在下載JAVA小應用程序或圖象的同時滾動頁面,在訪問新頁面時,播放動畫和聲音,打印文件等。
多線程的好處在於可以提高CPU的利用率——任何一個程序員都不希望自己的程序很多時候沒事可幹，在多線程程序中，一個線程必須等待的時候，CPU可以運行其它的線程而不是等待，這樣就大大提高了程序的效率。
然而我們也必須認識到線程本身可能影響系統性能的不利方面，以正確使用線程：
線程也是程序，所以線程需要佔用內存，線程越多佔用內存也越多
多線程需要協調和管理，所以需要CPU時間跟蹤線程
線程之間對共享資源的訪問會相互影響，必須解決競用共享資源的問題
線程太多會導致控制太複雜，最終可能造成很多Bug
基於以上認識，我們可以一個比喻來加深理解。假設有一個公司，公司裏有很多各司其職的職員，那麼我們可以認爲這個正常運作的公司就是一個進程，而公司裏的職員就是線程。一個公司至少得有一個職員吧，同理，一個進程至少包含一個線程。在公司裏，你可以一個職員幹所有的事，但是效率很顯然是高不起來的，一個人的公司也不可能做大；一個程序中也可以只用一個線程去做事，事實上，一些過時的語言如fortune,basic都是如此，但是象一個人的公司一樣，效率很低，如果做大程序，效率更低——事實上現在幾乎沒有單線程的商業軟件。公司的職員越多，老闆就得發越多的薪水給他們，還得耗費大量精力去管理他們，協調他們之間的矛盾和利益；程序也是如此，線程越多耗費的資源也越多，需要CPU時間去跟蹤線程，還得解決諸如死鎖，同步等問題。總之，如果你不想你的公司被稱爲“皮包公司”，你就得多幾個員工；如果你不想讓你的程序顯得稚氣，就在你的程序裏引入多線程吧！
本文將對C#編程中的多線程機制進行探討，通過一些實例解決對線程的控制，多線程間通訊等問題。爲了省去創建GUI那些繁瑣的步驟，更清晰地逼近線程的本質，下面所有的程序都是控制檯程序，程序最後的Console.ReadLine()是爲了使程序中途停下來，以便看清楚執行過程中的輸出。
好了，廢話少說，讓我們來體驗一下多線程的C#吧！
二.操縱一個線程
任何程序在執行時，至少有一個主線程，下面這段小程序可以給讀者一個直觀的印象：
編譯執行後你看到了什麼？是的，程序將產生如下輸出：
System Thread's Status:Running
在這裏，我們通過Thread類的靜態屬性CurrentThread獲取了當前執行的線程，對其Name屬性賦值“System Thread”，最後還輸出了它的當前狀態（ThreadState）。所謂靜態屬性，就是這個類所有對象所公有的屬性，不管你創建了多少個這個類的實例，但是類的靜態屬性在內存中只有一個。很容易理解CurrentThread爲什麼是靜態的——雖然有多個線程同時存在，但是在某一個時刻，CPU只能執行其中一個。
就像上面程序所演示的，我們通過Thread類來創建和控制線程。注意到程序的頭部，我們使用瞭如下命名空間：
在.net framework class library中，所有與多線程機制應用相關的類都是放在System.Threading命名空間中的。其中提供Thread類用於創建線程，ThreadPool類用於管理線程池等等，此外還提供解決了線程執行安排，死鎖，線程間通訊等實際問題的機制。如果你想在你的應用程序中使用多線程，就必須包含這個類。Thread類有幾個至關重要的方法，描述如下：
Start():啓動線程
Sleep(int):靜態方法，暫停當前線程指定的毫秒數
Abort():通常使用該方法來終止一個線程
Suspend()：該方法並不終止未完成的線程，它僅僅掛起線程，以後還可恢復。
Resume():恢復被Suspend()方法掛起的線程的執行
下面我們就動手來創建一個線程，使用Thread類創建線程時，只需提供線程入口即可。線程入口使程序知道該讓這個線程幹什麼事，在C#中，線程入口是通過ThreadStart代理（delegate）來提供的，你可以把ThreadStart理解爲一個函數指針，指向線程要執行的函數，當調用Thread.Start()方法後，線程就開始執行ThreadStart所代表或者說指向的函數。
打開你的VS.net，新建一個控制檯應用程序（Console Application），下面這些代碼將讓你體味到完全控制一個線程的無窮樂趣！
這段程序包含兩個類Alpha和Simple，在創建線程oThread時我們用指向Alpha.Beta()方法的初始化了ThreadStart代理（delegate）對象，當我們創建的線程oThread調用oThread.Start()方法啓動時，實際上程序運行的是Alpha.Beta()方法：
然後在Main()函數的while循環中，我們使用靜態方法Thread.Sleep()讓主線程停了1ms，這段時間CPU轉向執行線程oThread。然後我們試圖用Thread.Abort()方法終止線程oThread，注意後面的oThread.Join()，Thread.Join()方法使主線程等待，直到oThread線程結束。你可以給Thread.Join()方法指定一個int型的參數作爲等待的最長時間。之後，我們試圖用Thread.Start()方法重新啓動線程oThread，但是顯然Abort()方法帶來的後果是不可恢復的終止線程，所以最後程序會拋出ThreadStateException異常。
程序最後得到的結果將如下圖：
在這裏我們要注意的是其它線程都是依附於Main()函數所在的線程的，Main()函數是C#程序的入口，起始線程可以稱之爲主線程，如果所有的前臺線程都停止了，那麼主線程可以終止，而所有的後臺線程都將無條件終止。而所有的線程雖然在微觀上是串行執行的，但是在宏觀上你完全可以認爲它們在並行執行。
讀者一定注意到了Thread.ThreadState這個屬性，這個屬性代表了線程運行時狀態，在不同的情況下有不同的值，於是我們有時候可以通過對該值的判斷來設計程序流程。ThreadState在各種情況下的可能取值如下：
Aborted：線程已停止
AbortRequested：線程的Thread.Abort()方法已被調用，但是線程還未停止
Background：線程在後臺執行，與屬性Thread.IsBackground有關
Running：線程正在正常運行
Stopped：線程已經被停止
StopRequested：線程正在被要求停止
Suspended：線程已經被掛起（此狀態下，可以通過調用Resume()方法重新運行）
SuspendRequested：線程正在要求被掛起，但是未來得及響應
Unstarted：未調用Thread.Start()開始線程的運行
WaitSleepJoin：線程因爲調用了Wait(),Sleep()或Join()等方法處於封鎖狀態
上面提到了Background狀態表示該線程在後臺運行，那麼後臺運行的線程有什麼特別的地方呢？其實後臺線程跟前臺線程只有一個區別，那就是後臺線程不妨礙程序的終止。一旦一個進程所有的前臺線程都終止後，CLR（通用語言運行環境）將通過調用任意一個存活中的後臺進程的Abort()方法來徹底終止進程。
當線程之間爭奪CPU時間時，CPU按照是線程的優先級給予服務的。在C#應用程序中，用戶可以設定5個不同的優先級，由高到低分別是Highest，AboveNormal，Normal，BelowNormal，Lowest，在創建線程時如果不指定優先級，那麼系統默認爲ThreadPriority.Normal。給一個線程指定優先級
，我們可以使用如下代碼：
//設定優先級爲最低
myThread.Priority=ThreadPriority.Lowest;
通過設定線程的優先級，我們可以安排一些相對重要的線程優先執行，例如對用戶的響應等等。
現在我們對怎樣創建和控制一個線程已經有了一個初步的瞭解，下面我們將深入研究線程實現中比較典型的的問題，並且探討其解決方法。
三.線程的同步和通訊——生產者和消費者
假設這樣一種情況，兩個線程同時維護一個隊列，如果一個線程對隊列中添加元素，而另外一個線程從隊列中取用元素，那麼我們稱添加元素的線程爲生產者，稱取用元素的線程爲消費者。生產者與消費者問題看起來很簡單，但是卻是多線程應用中一個必須解決的問題，它涉及到線程之間的同步和通訊問題。
前面說過，每個線程都有自己的資源，但是代碼區是共享的，即每個線程都可以執行相同的函數。但是多線程環境下，可能帶來的問題就是幾個線程同時執行一個函數，導致數據的混亂，產生不可預料的結果，因此我們必須避免這種情況的發生。C#提供了一個關鍵字lock，它可以把一段代碼定義爲互斥段（critical section），互斥段在一個時刻內只允許一個線程進入執行，而其他線程必須等待。在C#中，關鍵字lock定義如下：
expression代表你希望跟蹤的對象，通常是對象引用。一般地，如果你想保護一個類的實例，你可以使用this；如果你希望保護一個靜態變量（如互斥代碼段在一個靜態方法內部），一般使用類名就可以了。而statement_block就是互斥段的代碼，這段代碼在一個時刻內只可能被一個線程執行。
下面是一個使用lock關鍵字的典型例子，我將在註釋裏向大家說明lock關鍵字的用法和用途：
而多線程公用一個對象時，也會出現和公用代碼類似的問題，這種問題就不應該使用lock關鍵字了，這裏需要用到System.Threading中的一個類Monitor，我們可以稱之爲監視器，Monitor提供了使線程共享資源的方案。
Monitor類可以鎖定一個對象，一個線程只有得到這把鎖纔可以對該對象進行操作。對象鎖機制保證了在可能引起混亂的情況下一個時刻只有一個線程可以訪問這個對象。Monitor必須和一個具體的對象相關聯，但是由於它是一個靜態的類，所以不能使用它來定義對象，而且它的所有方法都是靜態的，不能使用對象來引用。下面代碼說明了使用Monitor鎖定一個對象的情形：
......
Queue oQueue=new Queue();
......
Monitor.Enter(oQueue);
......//現在oQueue對象只能被當前線程操縱了
Monitor.Exit(oQueue);//釋放鎖
如上所示，當一個線程調用Monitor.Enter()方法鎖定一個對象時，這個對象就歸它所有了，其它線程想要訪問這個對象，只有等待它使用Monitor.Exit()方法釋放鎖。爲了保證線程最終都能釋放鎖，你可以把Monitor.Exit()方法寫在try-catch-finally結構中的finally代碼塊裏。對於任何一個被Monitor鎖定的對象，內存中都保存着與它相關的一些信息，其一是現在持有鎖的線程的引用，其二是一個預備隊列，隊列中保存了已經準備好獲取鎖的線程，其三是一個等待隊列，隊列中保存着當前正在等待這個對象狀態改變的隊列的引用。當擁有對象鎖的線程準備釋放鎖時，它使用Monitor.Pulse()方法通知等待隊列中的第一個線程，於是該線程被轉移到預備隊列中，當對象鎖被釋放時，在預備隊列中的線程可以立即獲得對象鎖。
下面是一個展示如何使用lock關鍵字和Monitor類來實現線程的同步和通訊的例子，也是一個典型的生產者與消費者問題。這個例程中，生產者線程和消費者線程是交替進行的，生產者寫入一個數，消費者立即讀取並且顯示，我將在註釋中介紹該程序的精要所在。用到的系統命名空間如下：
首先，我們定義一個被操作的對象的類Cell，在這個類裏，有兩個方法：ReadFromCell()和WriteToCell。消費者線程將調用ReadFromCell()讀取cellContents的內容並且顯示出來，生產者進程將調用WriteToCell()方法向cellContents寫入數據。
下面定義生產者CellProd和消費者類CellCons，它們都只有一個方法ThreadRun()，以便在Main()函數中提供給線程的ThreadStart代理對象，作爲線程的入口。
大家可以看到，在上面的例程中，同步是通過等待Monitor.Pulse()來完成的。首先生產者生產了一個值，而同一時刻消費者處於等待狀態，直到收到生產者的“脈衝(Pulse)”通知它生產已經完成，此後消費者進入消費狀態，而生產者開始等待消費者完成操作後將調用Monitor.Pulese()發出的“脈衝”。它的執行結果很簡單：
Produce: 1
Consume: 1
Produce: 2
Consume: 2
Produce: 3
Consume: 3
...
...
Produce: 20
Consume: 20
事實上，這個簡單的例子已經幫助我們解決了多線程應用程序中可能出現的大問題，只要領悟瞭解決線程間衝突的基本方法，很容易把它應用到比較複雜的程序中去。
四、線程池和定時器——多線程的自動管理
在多線程的程序中，經常會出現兩種情況。一種情況下，應用程序中的線程把大部分的時間花費在等待狀態，等待某個事件發生，然後才能給予響應；而另外一種情況則是線程平常都處於休眠狀態，只是週期性地被喚醒。在.net framework裏邊，我們使用ThreadPool來對付第一種情況，使用Timer來對付第二種情況。
ThreadPool類提供一個由系統維護的線程池——可以看作一個線程的容器，該容器需要Windows 2000以上版本的系統支持，因爲其中某些方法調用了只有高版本的Windows纔有的API函數。你可以使用ThreadPool.QueueUserWorkItem()方法將線程安放在線程池裏，該方法的原型如下：
要注意的是，ThreadPool類也是一個靜態類，你不能也不必要生成它的對象，而且一旦使用該方法在線程池中添加了一個項目，那麼該項目將是沒有辦法取消的。在這裏你無需自己建立線程，只需把你要做的工作寫成函數，然後作爲參數傳遞給ThreadPool.QueueUserWorkItem()方法就行了，傳遞的方法就是依靠WaitCallback代理對象，而線程的建立、管理、運行等等工作都是由系統自動完成的，你無須考慮那些複雜的細節問題，線程池的優點也就在這裏體現出來了，就好像你是公司老闆——只需要安排工作，而不必親自動手。
下面的例程演示了ThreadPool的用法。首先程序創建了一個ManualResetEvent對象，該對象就像一個信號燈，可以利用它的信號來通知其它線程，本例中當線程池中所有線程工作都完成以後，ManualResetEvent的對象將被設置爲有信號，從而通知主線程繼續運行。它有幾個重要的方法：Reset()，Set()，WaitOne()。初始化該對象時，用戶可以指定其默認的狀態（有信號/無信號），在初始化以後，該對象將保持原來的狀態不變直到它的Reset()或者Set()方法被調用，Reset()方法將其設置爲無信號狀態，Set()方法將其設置爲有信號狀態。WaitOne()方法使當前線程掛起直到ManualResetEvent對象處於有信號狀態，此時該線程將被激活。然後，程序將向線程池中添加工作項，這些以函數形式提供的工作項被系統用來初始化自動建立的線程。當所有的線程都運行完了以後，ManualResetEvent.Set()方法被調用，因爲調用了ManualResetEvent.WaitOne()方法而處在等待狀態的主線程將接收到這個信號，於是它接着往下執行，完成後邊的工作。
程序中有些小地方應該引起我們的注意。SomeState類是一個保存信息的數據結構，在上面的程序中，它作爲參數被傳遞給每一個線程，你很容易就能理解這個，因爲你需要把一些有用的信息封裝起來提供給線程，而這種方式是非常有效的。程序出現的InterLocked類也是專爲多線程程序而存在的，它提供了一些有用的原子操作，所謂原子操作就是在多線程程序中，如果這個線程調用這個操作修改一個變量，那麼其他線程就不能修改這個變量了，這跟lock關鍵字在本質上是一樣的。
我們應該徹底地分析上面的程序，把握住線程池的本質，理解它存在的意義是什麼，這樣我們才能得心應手地使用它。下面是該程序的輸出結果：
Thread Pool Sample:
Queuing 10 items to Thread Pool
Queue to Thread Pool 0
Queue to Thread Pool 1
...
...
Queue to Thread Pool 9
Waiting for Thread Pool to drain
98 0 :
HashCount.Count==0, Thread.CurrentThread.GetHashCode()==98
100 1 :
HashCount.Count==1, Thread.CurrentThread.GetHashCode()==100
98 2 :
...
...
Setting eventX
Thread Pool has been drained (Event fired)
Load across threads
101 2
100 3
98 4
102 1
與ThreadPool類不同，Timer類的作用是設置一個定時器，定時執行用戶指定的函數，而這個函數的傳遞是靠另外一個代理對象TimerCallback，它必須在創建Timer對象時就指定，並且不能更改。定時器啓動後，系統將自動建立一個新的線程，並且在這個線程裏執行用戶指定的函數。下面的語句初始化了一個Timer對象：
第一個參數指定了TimerCallback代理對象；第二個參數的意義跟上面提到的WaitCallback代理對象的一樣，作爲一個傳遞數據的對象傳遞給要調用的方法；第三個參數是延遲時間——計時開始的時刻距現在的時間，單位是毫秒；第四個參數是定時器的時間間隔——計時開始以後，每隔這麼長的一段時間，TimerCallback所代表的方法將被調用一次，單位也是毫秒。這句話的意思就是將定時器的延遲時間和時間間隔都設爲1秒鐘。
定時器的設置是可以改變的，只要調用Timer.Change()方法，這是一個參數類型重載的方法，一般使用的原型如下：
下面這段代碼將前邊設置的定時器修改了一下：
很顯然，定時器timer的時間間隔被重新設置爲2秒，停止計時10秒後生效。
下面這段程序演示了Timer類的用法。
程序首先創建了一個定時器，它將在創建1秒之後開始每隔1秒調用一次CheckStatus()方法，當調用5次以後，在CheckStatus()方法中修改了時間間隔爲2秒，並且指定在10秒後重新開始。當計數達到10次，調用Timer.Dispose()方法刪除了timer對象，主線程於是跳出循環，終止程序。程序執行的結果如下：
上面就是對ThreadPool和Timer兩個類的簡單介紹，充分利用系統提供的功能，可以爲我們省去很多時間和精力——特別是對很容易出錯的多線程程序。同時我們也可以看到.net Framework強大的內置對象，這些將對我們的編程帶來莫大的方便。
五、互斥對象——更加靈活的同步方式
有時候你會覺得上面介紹的方法好像不夠用，對，我們解決了代碼和資源的同步問題，解決了多線程自動化管理和定時觸發的問題，但是如何控制多個線程相互之間的聯繫呢？例如我要到餐廳吃飯，在吃飯之前我先得等待廚師把飯菜做好，之後我開始吃飯，吃完我還得付款，付款方式可以是現金，也可以是信用卡，付款之後我才能離開。分析一下這個過程，我吃飯可以看作是主線程，廚師做飯又是一個線程，服務員用信用卡收款和收現金可以看作另外兩個線程，大家可以很清楚地看到其中的關係——我吃飯必須等待廚師做飯，然後等待兩個收款線程之中任意一個的完成，然後我吃飯這個線程可以執行離開這個步驟，於是我吃飯纔算結束了。事實上，現實中有着比這更復雜的聯繫，我們怎樣才能很好地控制它們而不產生衝突和重複呢？
這種情況下，我們需要用到互斥對象，即System.Threading命名空間中的Mutex類。大家一定坐過出租車吧，事實上我們可以把Mutex看作一個出租車，那麼乘客就是線程了，乘客首先得等車，然後上車，最後下車，當一個乘客在車上時，其他乘客就只有等他下車以後纔可以上車。而線程與Mutex對象的關係也正是如此，線程使用Mutex.WaitOne()方法等待Mutex對象被釋放，如果它等待的Mutex對象被釋放了，它就自動擁有這個對象，直到它調用Mutex.ReleaseMutex()方法釋放這個對象，而在此期間，其他想要獲取這個Mutex對象的線程都只有等待。
下面這個例子使用了Mutex對象來同步四個線程，主線程等待四個線程的結束，而這四個線程的運行又是與兩個Mutex對象相關聯的。其中還用到AutoResetEvent類的對象，如同上面提到的ManualResetEvent對象一樣，大家可以把它簡單地理解爲一個信號燈，使用AutoResetEvent.Set()方法可以設置它爲有信號狀態，而使用AutoResetEvent.Reset()方法把它設置爲無信號狀態。這裏用它的有信號狀態來表示一個線程的結束。
下面是該程序的執行結果：
從執行結果可以很清楚地看到，線程t2,t3的運行是以gM1的釋放爲條件的，而t4在gM2釋放後開始執行，t1則在gM1和gM2都被釋放了之後才執行。Main()函數最後，使用WaitHandle等待所有的AutoResetEvent對象的信號，這些對象的信號代表相應線程的結束。
六、小結
多線程程序設計是一個龐大的主題，而本文試圖在.net Framework環境下，使用最新的C#語言來描述多線程程序的概貌。希望本文能有助於大家理解線程這種概念，理解多線程的用途，理解它的C#實現方法，理解線程將爲我們帶來的好處和麻煩。C#是一種新的語言，因此它的線程機制也有許多獨特的地方，希望大家能通過本文清楚地看到這些，從而可以對線程進行更深入的理解和探索。
