谈谈C#多线程开发：并行、并发与异步编程
现代程序开发过程中不可避免会使用到多线程相关的技术，本文讨论多线程编程相关的同步、数据安全及异常处理。
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一、使用Task
二、并行编程
三、线程同步
四、异步编程模型
五、多线程数据安全
六、异常处理
概述
现代程序开发过程中不可避免会使用到多线程相关的技术，之所以要使用多线程，主要原因或目的大致有以下几个：
1、 业务特性决定程序就是多任务的，比如，一边采集数据、一边分析数据、同时还要实时显示数据；
2、 在执行一个较长时间的任务时，不能阻塞UI界面响应，必须通过后台线程处理；
3、 在执行批量计算密集型任务时，采用多线程技术可以提高运行效率。
传统使用的多线程技术有：
- Thread & ThreadPool
- Timer
- BackgroundWorker
目前，这些技术都不再推荐使用了，目前推荐采用基于任务的异步编程模型，包括并行编程和Task的使用。
一、使用Task：
大部分情况下，多线程的应用场景是在后台执行一个较长时间的任务时，不能阻塞界面响应，同时，任务还是可以取消的。
下面我们实现一个简单的示例功能：用户点击Start按钮时启动一个任务，任务执行过程中通过进度条显示任务进度，点击Stop按钮结束任务。
public partial class Form1 : Form { private volatile bool CancelWork = false; public Form1() { InitializeComponent(); } private void btnStart_Click(object sender, EventArgs e) { this.btnStart.Enabled = false; this.btnStop.Enabled = true; CancelWork = false; Task.Run(() => WorkThread()); } private void btnStop_Click(object sender, EventArgs e) { CancelWork = true; } private void WorkThread() { for (int i = 0; i < 100; i++) { this.Invoke(new Action(() => { this.progressBar.Value = i; })); Thread.Sleep(1000); if(CancelWork) { break; } } this.Invoke(new Action(() => { this.btnStart.Enabled = true; this.btnStop.Enabled = false; })); } }
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这个代码写的中规中矩，没什么特别的地方，仅仅是用Tsak取代了早期经常采用的Thread、ThreadPool等，虽然Task内部也是对ThreadPool的封装，但仍然建议尽量采用TASK来实现多任务。
注意：虽然可以通过代码强行结束一个任务，但强烈建议不要这样做，应该给它一个通知让其自己结束。
二、并行编程：
目标：通过一个计算素数的方法，循环计算并打印出10000以内的素数。
计算一个数是否素数的方法：
private static bool IsPrimeNumber(int number) { if (number < 1) { return false; } if (number == 1 && number == 2) { return true; } for (int i = 2; i < number; i++) { if (number % i == 0) { return false; } } return true; }
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如果不采用并行编程，常规实现方法：
for (int i = 1; i <= 10000; i++) { bool b = IsPrimeNumber(i); Console.WriteLine($"{i}:{b}"); }
采用并行编程方法：
Parallel.For(1, 10000, x=> { bool b = IsPrimeNumber(x); Console.WriteLine($"{i}:{b}"); });
运行程序发现时间差异并不大，主要原因是瓶颈在打印控制台上面，去掉打印代码，只保留计算代码，就可以看出性能差异。
Parallel实际是通过线程池进行任务的分配，线程池的最小线程数和最大线程数将影响到整个程序的性能，需要合理设置。（最小线程默认为8。）
ThreadPool.SetMinThreads(10, 10); ThreadPool.SetMaxThreads(20, 20);
按照上述设置，假设线程任务耗时比较长不能很快结束。在启动前面10个线程时速度很快，第10~20个线程就比较慢一点，大约0.5秒，到达20个线程以后，如果前期任务没有结束就不能继续分配任务了。
和Task类似，Parallel类仍然是对ThreadPool的封装，但Parallel有一个优势，它能知道所有任务是否完成，如果采用线程池来实现批量任务，我们需要自己通过计数的方式确定所有子任务是否全部完成。
Parallel类还有一个ForEach方法，使用和For类似，就不重复描述了。
三、 线程（或任务）同步
有时我们需要通知一个任务结束，或一个任务等待某个条件进入下一个状态，这就需要用到任务同步的技术。
一个比较简单的方法就是定义一个变量来表示状态。
private volatile bool CancelWork = false;
后台任务可以轮询该变量进行判断：
for (int i = 0; i < 100; i++) { if(CancelWork) { break; } }
这是我们常用的方法，可以称为线程状态机同步（虽然只有两个状态）。需要注意的是在通过轮询去读取状态时，循环体内至少应该有1ms的Sleep，不然CPU会很高。
线程同步还有一个比较好的办法就是采用ManualResetEvent 和AutoResetEvent ：
public partial class Form1 : Form { private ManualResetEvent manualResetEvent = new ManualResetEvent(false); public Form1() { InitializeComponent(); } private void btnStart_Click(object sender, EventArgs e) { this.btnStart.Enabled = false; this.btnStop.Enabled = true; manualResetEvent.Reset(); Task.Run(() => WorkThread()); } private void btnStop_Click(object sender, EventArgs e) { manualResetEvent.Set(); } private void WorkThread() { for (int i = 0; i < 100; i++) { this.Invoke(new Action(() => { this.progressBar.Value = i; })); if(manualResetEvent.WaitOne(1000)) { break; } } this.Invoke(new Action(() => { this.btnStart.Enabled = true; this.btnStop.Enabled = false; })); } }
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采用WaitOne来等待比通过Sleep进行延时要更好，因为当执行manualResetEvent.WaitOne(1000)时，如果manualResetEvent没有调用Set，该方法在等待1000ms后返回false，如果期间调用了manualResetEvent的Set方法，该方法会立即返回true，不用等待剩下的时间。
采用这种同步方式优于采用通过内部字段变量进行同步的方式，另外尽量采用ManualResetEvent 而不是AutoResetEvent 。
四、异步编程模型（await、async）
假设我们要实现一个简单的功能：当点击启动按钮时，运行一个任务，任务结束时要报告是否成功，如果成功就显示绿色图标、如果失败就显示红色图标，1秒后图标颜色恢复为白色；任务运行期间启动按钮要不可用。
我写了相关代码：
public partial class Form1 : Form { private void btnStart_Click(object sender, EventArgs e) { this.btnStart.Enabled = false; if(DoSomething()) { this.picShow.BackColor = Color.Green; } else { this.picShow.BackColor = Color.Red; } Thread.Sleep(1000); this.picShow.BackColor = Color.White; this.btnStart.Enabled = true; } private bool DoSomething() { Thread.Sleep(5000); return true; } }
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这段代码逻辑清晰、条理清楚，一看就能明白，但存在两个问题：
1、运行期间UI线程阻塞了，用户界面没有响应；
2、根本不能实现需求，点击启动后，程序卡死6秒种，也没有看到颜色变化，因为UI线程已经阻塞，当重新获得句柄时图标已经是白色了。
为了实现需求，我们改用多任务来实现相关功能：
public partial class Form1 : Form { public Form1() { InitializeComponent(); } private void btnStart_Click(object sender, EventArgs e) { this.btnStart.Enabled = false; Task.Run(() => { if (DoSomething()) { this.Invoke(new Action(() => { this.picShow.BackColor = Color.Green; })); } else { this.Invoke(new Action(() => { this.picShow.BackColor = Color.Red; })); } Thread.Sleep(1000); this.Invoke(new Action(() => { this.btnStart.Enabled = true; this.picShow.BackColor = Color.White; })); }); } private bool DoSomething() { Thread.Sleep(5000); return true; } }
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以上代码完全实现了最初的需求，但有几个不完美的地方：
1、主线程的btnStart_Click方法除了启动一个任务以外，啥事也没干；
2、由于非UI线程不能访问UI控件，代码里有很多Invoke，比较丑陋；
3、界面逻辑和业务逻辑掺和在一起，使得代码难以理解。
采用C#的异步编程模型，通过使用await、async关键字，可以更好地实现上述需求。
public partial class Form1 : Form { public Form1() { InitializeComponent(); } private async void btnStart_ClickAsync(object sender, EventArgs e) { this.btnStart.Enabled = false; var result = await DoSomethingAsync(); if(result) { this.picShow.BackColor = Color.Green; } else { this.picShow.BackColor = Color.Red; } await Task.Delay(1000); this.picShow.BackColor = Color.White; this.btnStart.Enabled = true; } private async Task<bool> DoSomethingAsync() { await Task.Run(() => { Thread.Sleep(5000); }); return true; } }
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这段代码看起来就像是同步代码，其业务逻辑是如此的清晰优雅，让人一目了然，关键是它还不阻塞线程，UI正常响应。
可以看到，通过使用await关键字，我们可以专注于业务功能实现，特别是后续任务需要前序任务的返回值的情况下，可以大量减少任务之间的同步操作，代码的可读性也大大增强。
五、 多线程环境下的数据安全
目标：我们要向一个字典加入一些数据项，为了增加效率，我们使用了多个线程。
private async static void Test1() { Task.Run(() => AddData()); Task.Run(() => AddData()); Task.Run(() => AddData()); Task.Run(() => AddData()); } private static void AddData() { for (int i = 0; i < 100; i++) { if(!Dic.ContainsKey(i)) { Dic.Add(i, i.ToString()); } Thread.Sleep(50); } }
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向字典重复加入同样的关键字会引发异常，所以在增加数据前我们检查一下是否已经包含该关键字。以上代码看似没有问题，但有时还是会引发异常：“已添加了具有相同键的项。”原因在于我们在检查是否包含该Key时是不包含的，但在新增时其他线程加入了同样的KEY，当前线程再增加就报错了。
【注意：也许你多次运行上述程序都能顺利执行，不报异常，但还是要清楚认识到上述代码是有问题的！毕竟，程序在大部分情况下都运行正常，偶尔报一次故障才是最头疼的事情。】
上述问题传统的解决方案就是增加锁机制。对于核心的修改代码通过锁来确保不会重入。
private object locker4Add=new object(); private static void AddData() { for (int i = 0; i < 100; i++) { lock (locker4Add) { if (!Dic.ContainsKey(i)) { Dic.Add(i, i.ToString()); } } Thread.Sleep(50); } }
以上代码可以解决问题，但不是最佳方案。更好的方案是使用线程安全的容器：ConcurrentDictionary。
private static ConcurrentDictionary<int, string> Dic = new ConcurrentDictionary<int, string>(); private async static void Test1() { Task.Run(() => AddData()); Task.Run(() => AddData()); Task.Run(() => AddData()); Task.Run(() => AddData()); } private static void AddData() { for (int i = 0; i < 100; i++) { Dic.TryAdd(i, i.ToString()); Thread.Sleep(50); } }
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你可以在新增前继续检查一下容器是否已经包含该Key，你也可以不用检查，TryAdd方法确保不会重复添加且不会产生异常。
刚才是多个线程同时写某个对象，如果就单个线程写对象，其他多个线程仅仅是消费（访问）对象，是否可以使用非线程安全的容器呢？
基本上来说多个线程读取一个对象是没有太大问题的，但还是会存在一些要注意的地方：
1、对于常用的List，在对其进行foreach时List对象不能被修改，不仅不能Remove，Add也不可以；否则会报一个异常：异常信息:”集合已修改；可能无法执行枚举操作。”
2、还有一个类似的问题 就是调用Dictionary的ToList方法时有时会报错，将Dictionary 类型改成ConcurrentDictionary类型，问题依然存在，其原因是ToList会读取字典的Count，创建相关大小的区域后执行复制，而此时字典的长度增加了。
以上只是描述了多线程数据访问的两个小例子，实际使用中相关的问题一定会远远不止这些，多线程程序的大部分异常都是因为资源竞争引起的（包括死锁），一定要小心处理。
六、多线程的异常处理
(一) 异常处理的几个基本原则
1、 基本原则：不要轻易捕获根异常；
2、 组件或控件抛出异常时可以根据需要自定义一些异常，不要抛出根异常，可以直接使用的常用异常有：FormatException、IndexOutOfRangException、InvalidOperationException、InvalidEnumArgumentException ；没有合适的就自定义；
3、 用户自定义异常从ApplicationException继承；
4、 多线程的内部异常不会传播到主线程，应该在内部进行处理，可以通过事件推到主线程来；
5、应用程序层面可以捕获根异常，做一些记录工作，切不可隐匿异常。
(二) 异常处理方案（基于WPF实现）
主线程的异常处理：
捕获你知道的异常，并自行处理，但不要轻易捕获根异常，下面的代码令人深恶痛绝：
try { DoSomething(); } catch(Exception) { //Do Nothing }
当然，如果你确定有能力捕获根异常，并且是业务逻辑的一部分，可以捕获根异常 ：
try { DoSomething(); MessageBox.Show("OK"); } catch(Exception ex) { MessageBox.Show($"ERROR:{ex.Message}"); }
可等待异步任务的异常处理：
可等待的任务内的异常是可以传递到调用者线程的，可以按照主线程异常统一处理：
try { await DoSomething(); } catch(FormatException ex) { //Do Something }
Task任务内部异常处理：
非可等待的Task任务内部异常是无法传递到调用者线程的，参考下面代码：
try { Task.Run(() => { string s = "aaa"; int i = int.Parse(s); }); } catch (FormatException ex) { MessageBox.Show("Error"); }
上面代码不会实现你期望的效果，它只会造成程序的崩溃。（有时候不会立即崩溃，后面会有解释）
处理办法有两个：
1、自行处理：（1）处理可以预料的异常，（2）同时处理根异常（写日志等），也可以不处理根异常，后面统一处理；
2、或将异常包装成事件推送到主线程，交给主线程处理。
public partial class FormSync : Form { private event EventHandler<UnhangdledExceptionArgs> UnhandledExceptionCatched; private void Form_Load() { UnhandledExceptionCatched += MainWindow_UnhandledExceptionCatched; } private void MainWindow_UnhandledExceptionCatched(object sender, UnhangdledExceptionArgs e) { MessageBox.Show($"Catch Exception:{e.InnerException.Message}"); } private void Thread1() { Task.Run(()=> { try { throw new ApplicationException("Thread Exception"); } catch (Exception ex) { UnhangdledExceptionArgs args = new UnhangdledExceptionArgs() { InnerException = ex }; UnhandledExceptionCatched?.Invoke(null, args); } }); } } public class UnhangdledExceptionArgs : EventArgs { public Exception InnerException { get; set; } }
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Thread和ThreadPool内部异常：
虽然不推荐使用Thread，如果实在要用，其处理原则和上述普通Task任务内部异常处理方案一致。
全局未处理异常的处理：
虽然我们不推荐catch根异常，但如果一旦发生未知异常程序就崩溃，客户恐怕难以接受吧，如果要求所有业务模块都处理根异常并进行保存日志、弹出消息等操作又非常繁琐，所以，处理的思路是业务模块不处理根异常，但应用程序要对未处理异常进行统一处理。
public partial class App : Application { App() { this.Startup += App_Startup; } private void App_Startup(object sender, StartupEventArgs e) { this.DispatcherUnhandledException += App_DispatcherUnhandledException; AppDomain.CurrentDomain.UnhandledException += CurrentDomain_UnhandledException; TaskScheduler.UnobservedTaskException += TaskScheduler_UnobservedTaskException; } //主线程未处理异常 private void App_DispatcherUnhandledException(object sender, System.Windows.Threading.DispatcherUnhandledExceptionEventArgs e) { DoSomething(e.Exception); e.Handled = true; } //未处理线程异常(如果主线程未处理异常已经处理，该异常不会触发) private void CurrentDomain_UnhandledException(object sender, UnhandledExceptionEventArgs e) { if (e.ExceptionObject is Exception ex) { DoSomething(ex); } } //未处理的Task内异常 private void TaskScheduler_UnobservedTaskException(object sender, UnobservedTaskExceptionEventArgs e) { DoSomething(e.Exception); } //保存、显示异常信息 private void ProcessException(Exception exception) { //保存日志 //提醒用户 } }
解释一下：
1、 当主线程发生未处理异常时会触发App_DispatcherUnhandledException事件，在该事件中如果设置e.Handled = true，那么系统不会崩溃，如果没有设置e.Handled = true，会继续触发CurrentDomain_UnhandledException事件（毕竟主线程也是线程），而CurrentDomain_UnhandledException事件和TaskScheduler_UnobservedTaskException事件触发后，操作系统都会强行关闭这个应用程序。所以我们应该在App_DispatcherUnhandledException事件中设置e.Handled = true。
2、Thread线程异常会触发CurrentDomain_UnhandledException事件，导致系统崩溃，所以建议尽量不要使用Thread和ThreadPool。
3、非可等待的Task内部异常会触发TaskScheduler_UnobservedTaskException事件，导致系统崩溃，所以建议Task内部自行处理根异常或将异常封装为事件推到主线程。需要额外注意一点：Task内的未处理异常不会被立即触发事件，而是要延迟到GC执行回收的时候才触发，这使得问题更复杂，需要小心处理。
总之
当前，异步编程模型已经是.NET框架的基本功能了，特别是WEB开发，后台代码已经全面异步化了，所以每个C#开发人员都不能轻视它，必须熟练掌握。 虽然在一知半解的情况下也能写多线程程序，写的程序也能跑，但就是那些平时一切正常偶尔抽风一下的错误会让头痛不已。只有深刻了解多线程的内部原理，并遵循结构化的设计原则才能写出健壮、优美的代码。