C#中几种常见的异步处理的方法

4种常用进制转换器V5.0.0.3绿色版

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先大概看一下控制台应用程序的Main方法的主要代码：

001 static bool done = false;

002 static decimal count2 = 0;

003 static int threadDone = 0;//标志启用线程数?

004 static System.Timers.Timer timer = new System.Timers.Timer(1000);

005

006 static decimal[] threadPoolCounters = new decimal[10];

007 static Thread[] threads = new Thread[10];

008 static System.Timers.Timer[] threadTimers = new System.Timers.Timer[10];

009

010 static void Main(string[] args)

011 {

012 timer.Stop();

013 /*当 AutoReset 设置为 false 时，Timer 只在第一个 Interval 过后引发一次 Elapsed 事件。

014 若要保持以 Interval 时间间隔引发 Elapsed 事件，请将 AutoReset 设置为 true。*/

015 timer.AutoReset = false;

016 timer.Elapsed += new ElapsedEventHandler(OnTimerEvent);//当timer.Start()时，触发事件

017 decimal total = 0;

018

019 // raw test

020 decimal count1 = SingleThreadTest();//单一线程，一跑到底

021 Console.WriteLine("Single thread count = " + count1.ToString());

022

023 // create one thread, increment counter, destroy thread, repeat

024 Console.WriteLine();

025 CreateAndDestroyTest();//创建一个线程，运算，然后销毁该线程重复前面的动作

026 Console.WriteLine("Create and destroy per count = " + count2.ToString());

027

028 // Create 10 threads and run them simultaneously

029 //一次性创建10个线程，然后遍历使线程执行运算

030 Console.WriteLine();

031 InitThreadPoolCounters();

032 InitThreads();

033 StartThreads();

034 while (threadDone != 10) { };

035 Console.WriteLine("10 simultaneous threads:");

036 for (int i = 0; i < 10; i++)

037 {

038 Console.WriteLine("T" + i.ToString() + " = " + threadPoolCounters[i].ToString() + " ");

039 total += threadPoolCounters[i];

040 }

041 Console.WriteLine("Total = " + total.ToString());

042 Console.WriteLine();

043

044 Console.WriteLine("///////////////////////////////////////////////////");

045

046 // using ThreadPool

047 //直接通过线程池的QueueUserWorkItem方法，按队列执行10个任务

048 Console.WriteLine();

049 Console.WriteLine("ThreadPool:");

050 InitThreadPoolCounters();

051 QueueThreadPoolThreads();

052 while (threadDone != 10) { };

053 Console.WriteLine("ThreadPool: 10 simultaneous threads:");

054 total = 0;

055 for (int i = 0; i < 10; i++)

056 {

057 // threadTimers[i].Stop();

058 // threadTimers[i].Dispose();

059 Console.WriteLine("T" + i.ToString() + " = " + threadPoolCounters[i].ToString() + " ");

060 total += threadPoolCounters[i];

061 }

062 Console.WriteLine("Total = " + total.ToString());

063

064 // using SmartThreadPool

065 //通过Amir Bar的SmartThreadPool线程池，利用QueueUserWorkItem方法，按队列执行10个任务

066 Console.WriteLine();

067 Console.WriteLine("SmartThreadPool:");

068 InitThreadPoolCounters();

069 QueueSmartThreadPoolThreads();

070 while (threadDone != 10) { };

071 Console.WriteLine("SmartThreadPool: 10 simultaneous threads:");

072 total = 0;

073 for (int i = 0; i < 10; i++)

074 {

075 Console.WriteLine("T" + i.ToString() + " = " + threadPoolCounters[i].ToString() + " ");

076 total += threadPoolCounters[i];

077 }

078 Console.WriteLine("Total = " + total.ToString());

079

080 // using ManagedThreadPool

081 //通过Stephen Toub改进后的线程池，利用QueueUserWorkItem方法，按队列执行10个任务

082 Console.WriteLine();

083 Console.WriteLine("ManagedThreadPool:");

084 InitThreadPoolCounters();

085 QueueManagedThreadPoolThreads();

086 while (threadDone != 10) { };

087 Console.WriteLine("ManagedThreadPool: 10 simultaneous threads:");

088 total = 0;

089 for (int i = 0; i < 10; i++)

090 {

091 Console.WriteLine("T" + i.ToString() + " = " + threadPoolCounters[i].ToString() + " ");

092 total += threadPoolCounters[i];

093 }

094 Console.WriteLine("Total = " + total.ToString());

095

096 // using C#4.0 Parallel

097 //通过Tasks.Parallel.For进行并行运算

098 Console.WriteLine();

099 Console.WriteLine("Parallel:");

100 InitThreadPoolCounters();

101 UseParallelTasks();

102 while (threadDone != 10) { };

103 Console.WriteLine("Parallel: 10 simultaneous threads:");

104 total = 0;

105 for (int i = 0; i < 10; i++)

106 {

107 Console.WriteLine("T" + i.ToString() + " = " + threadPoolCounters[i].ToString() + " ");

108 total += threadPoolCounters[i];

109 }

110 Console.WriteLine("Total = " + total.ToString());

111 }

我们可以先熟悉一下大致思路。代码中，我们主要依靠输出的数字count或者total来判断哪个方法执行效率更高（原文是How Hign Can I Count?），通常输出的数字越大，我们就认为它”干的活越多“，效率越高。主要实现过程就是通过一个静态的System.Timers.Timer对象的timer实例，设置它的Interval属性和ElapsedEventHandler事件：

1 static System.Timers.Timer timer = new System.Timers.Timer(1000);

2 /*当 AutoReset 设置为 false 时，Timer 只在第一个 Interval 过后引发一次 Elapsed 事件。

3 若要保持以 Interval 时间间隔引发 Elapsed 事件，请将 AutoReset 设置为 true。*/

4 timer.AutoReset = false;

5 timer.Elapsed += new ElapsedEventHandler(OnTimerEvent);//当timer.Start()时，触发事件

其中，timer的事件触发的函数：

?1 static void OnTimerEvent(object src, ElapsedEventArgs e)

2 {

3 done = true;

4 }

每次timer.Start执行的时候，一次测试就将开始，这样可以确保测试的不同方法都在1000毫秒内跑完。

下面开始具体介绍几个方法：

A、线程

这个非常简单，就是通过主线程计算在1000毫秒内，count从0递增加到了多少：

01 /// <summary>

02 /// 单一线程，一跑到底

03 /// </summary>

04 /// <returns></returns>

05 static decimal SingleThreadTest()

06 {

07 done = false;

08 decimal counter = 0;

09 timer.Start();

10 while (!done)

11 {

12 ++counter;

13 }

14 return counter;

15 }

while判断可以保证方法在1000毫秒内执行完成。

B、多线程

这个多线程方法比较折腾，先创建线程，然后运行，最后销毁线程，这就是一个线程执行单元，重复10次这个线程执行单元。

01 /// <summary>

02 /// 创建一个线程，运算，然后销毁该线程重复前面的动作

03 /// </summary>

04 static void CreateAndDestroyTest()

05 {

06 done = false;

07 timer.Start();

08 while (!done)

09 {

10 Thread counterThread = new Thread(new ThreadStart(Count1Thread));

11 counterThread.IsBackground = true;//后台线程

12 counterThread.Start();

13 while (counterThread.IsAlive) { };

14 }

15 }

那个ThreadStart委托对应的方法Count1Thread如下：

?1 static void Count1Thread()

2 {

3 ++count2; //静态字段count2自增

4 }

从表面上看，大家估计都可以猜到，效果可能不佳。

C、还是多线程

这个方法不判断线程的执行状态，不用等到一个线程销毁后再创建一个线程，然后执行线程方法。线程执行的方法就是根据线程的Name找到一个指定数组的某一索引，并累加改变数组的值：

01 /// <summary>

02 /// 将数组和线程数标志threadDone回到初始状态

03 /// </summary>

04 static void InitThreadPoolCounters()

05 {

06 threadDone = 0;

07 for (int i = 0; i < 10; i++)

08 {

09 threadPoolCounters[i] = 0;

10 }

11 }

12

13 /// <summary>

14 /// 初始化10个线程

15 /// </summary>

16 static void InitThreads()

17 {

18 for (int i = 0; i < 10; i++)

19 {

20 threads[i] = new Thread(new ThreadStart(Count2Thread));

21 threads[i].IsBackground = true;

22 threads[i].Name = i.ToString();//将当前线程的Name赋值为数组索引，在Count2Thread方法中获取对应数组

23 }

24 }

25

26 /// <summary>

27 /// 开始多线程运算

28 /// </summary>

29 static void StartThreads()

30 {

31 done = false;

32 timer.Start();

33 for (int i = 0; i < 10; i++)

34 {

35 threads[i].Start();

36 }

37 }

其中，每一个线程需要执行的委托方法

1 static void Count2Thread()

2 {

3 int n = Convert.ToInt32(Thread.CurrentThread.Name);//取数组索引

4 while (!done)

5 {

6 ++threadPoolCounters[n];

7 }

8 Interlocked.Increment(ref threadDone);//以原子操作的形式保证threadDone递增

9 }

在测试过程中，我们看代码：

01 // Create 10 threads and run them simultaneously

02 //一次性创建10个线程，然后遍历使线程执行运算

03 Console.WriteLine();

04 InitThreadPoolCounters();

05 InitThreads();

06 StartThreads();

07 while (threadDone != 10) { };

08 Console.WriteLine("10 simultaneous threads:");

09 for (int i = 0; i < 10; i++)

10 {

11 Console.WriteLine("T" + i.ToString() + " = " + threadPoolCounters[i].ToString() + " ");

12 total += threadPoolCounters[i];

13 }

14 Console.WriteLine("Total = " + total.ToString());

15 Console.WriteLine();

最后算出这个数组的所有元素的总和，就是这10个线程在1000毫秒内所做的事情。其中， while (threadDone != 10) { };这个判断非常重要。这个方法看上去没心没肺，线程创建好就不管它的死活了（还是管活不管死？），所以效率应该不低。

实际上，我在本地测试并看了一下输出，表面看来，按count大小逆序排列：C>A>B，这就说明多线程并不一定比单线程运行效率高。其实B之所以效率不佳，主要是由于这个方法大部分的”精力“花在线程的执行状态和销毁处理上。

注意，其实C和A、B都没有可比性，因为C计算的是数组的总和，而A和B只是简单的对一个数字进行自加。

ps：C这一块说的没有中心，想到哪写到哪，所以看起来写得很乱，如果看到这里您还觉着不知所云，建议先下载最后的demo，先看代码，再对照这篇文章。

好了，到这里，我们对线程的创建和使用应该有了初步的了解。细心的人可能会发现，我们new一个Thread，然后给线程实例设置属性，比如是否后台线程等等，其实这部分工作可以交给下面介绍的线程池ThreadPool来做（D、E和F主要介绍线程池）。

D、线程池ThreadPool

在实际的项目中大家可能使用最多最熟悉的就是这个类了，所以没什么可说的：

01 /// <summary>

02 /// ThreadPool测试

03 /// </summary>

04 static void QueueThreadPoolThreads()

05 {

06 done = false;

07 for (int i = 0; i < 10; i++)

08 {

09 ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(Count3Thread), i);

10 }

11

12 timer.Start();

13 }

14

15 static void Count3Thread(object state)

16 {

17 int n = (int)state;

18 while (!done)

19 {

20 ++threadPoolCounters[n];

21 }

22 Interlocked.Increment(ref threadDone);

23 }

我们知道线程池里的线程默认都是后台线程，所以它实际上简化了线程的属性设置，更方便异步编程。

需要说明的是，线程池使用过程中会有这样那样的缺陷（虽然本文的几个线程池任务都不会受这种缺陷影响）。比如，我们一次性向线程池中加入100个任务，但是当前的系统可能只支持25个线程，并且每个线程正处于”忙碌“状态，如果一次性加入池中系统会处理不过来，那么多余的任务必须等待，这就造成等待的时间过长，系统无法响应。还好，ThreadPool提供了GetAvailableThreads方法，可以让你知道当前可用的工作线程数量。

01 static void QueueThreadPoolThreads()

02 {

03 done = false;

04 for (int i = 0; i < 10; i++)

05 {

06 //ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(Count3Thread), i); //直接给程序池添加任务有时是很草率的

07

08 WaitCallback wcb = new WaitCallback(Count3Thread);

09 int workerThreads, availabeThreads;

10 ThreadPool.GetAvailableThreads(out workerThreads, out availabeThreads);

11 if (workerThreads > 0)//可用线程数>0

12 {

13 ThreadPool.QueueUserWorkItem(wcb, i);

14 }

15 else

16 {

17 //to do 可以采取一种策略，让这个任务合理地分配给线程

18 }

19 }

如果没有可用的工作线程数，必须设计一定的策略，让这个任务合理地分配给线程。

也许就是类似于上面那样的限制，很多开发者都自己创建自己的线程池，同时也就有了后面的SmartThreadPool和ManagedThreadPool大展身手的机会。

E、线程池SmartThreadPool

大名鼎鼎的SmartThreadPool，但是我从来没在项目中使用过，所以只是找了一段简单的代码测试一下：

01 /// <summary>

02 /// SmartThreadPool测试

03 /// </summary>

04 static void QueueSmartThreadPoolThreads()

05 {

06 SmartThreadPool smartThreadPool = new SmartThreadPool();

07 // Create a work items group that processes

08 // one work item at a time

09 IWorkItemsGroup wig = smartThreadPool.CreateWorkItemsGroup(1);

10

11 done = false;

12 timer.Start();

13 for (int i = 0; i < 10; i++)

14 {

15 wig.QueueWorkItem(new WorkItemCallback(Count4Thread), i);

16 }

17 // Wait for the completion of all work items in the work items group

18 wig.WaitForIdle();

19 smartThreadPool.Shutdown();

20 }

21

22 static object Count4Thread(object state)

23 {

24 int n = (int)state;

25 while (!done)

26 {

27 ++threadPoolCounters[n];

28 }

29 Interlocked.Increment(ref threadDone);

30 return null;

31 }

自从收藏这个SmartThreadPool.dll后，我还从没有在项目中使用过。查看它的源码注释挺少也挺乱的，不知道有没有高人知道它的一个效率更好的方法。您也可以看看英文原文，自己尝试体验一下。如果您熟悉使用SmartThreadPool，欢迎讨论。

F、线程池ManagedThreadPool

Stephen Toub这个完全用C#托管代码实现的线程池也非常有名，在Marc Clifton的英文原文中，作者也不吝溢美之词，赞它“quite excellent”，于我心有戚戚焉：

01 /// <summary>

02 /// ManagedThreadPool测试

03 /// </summary>

04 static void QueueManagedThreadPoolThreads()

05 {

06 done = false;

07 timer.Start();

08 for (int i = 0; i < 10; i++)

09 {

10 Toub.Threading.ManagedThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(Count5Thread), i);

11 }

12 }

13 static void Count5Thread(object state)

14 {

15 int n = (int)state;

16 while (!done)

17 {

18 ++threadPoolCounters[n];

19 }

20 Interlocked.Increment(ref threadDone);

21 }

对于这个托管的线程池，我个人的理解，就是它在管理线程的时候，这个池里还有一个缓存线程的池，即一个ArrayList对象。它一开始就初始化了一定数量的线程，并通过ProcessQueuedItems方法保证异步执行进入池中的队列任务（那个死循环有时可能导致CPU过分忙碌），这样在分配异步任务的时候，就省去了频繁去创建（new）一个线程。同时它在实现信号量（Semaphore）的同步和线程出入队列的设计上都可圈可点，非常巧妙，强烈推荐您阅读它的源码。

G、并行运算

下面的示例，我只使用了简单的System.Threading.Tasks.Parallel.For 对应的for 循环的并行运算：

01 /// <summary>

02 /// 并行运算测试

03 /// </summary>

04 static void UseParallelTasks()

05 {

06 done = false;

07 timer.Start();

08 // System.Threading.Tasks.Parallel.For - for 循环的并行运算

09 System.Threading.Tasks.Parallel.For(0, 10, (i) => { Count6Thread(i); });

10 }

11 static void Count6Thread(object state)

12 {

13 int n = (int)state;

14 while (!done)

15 {

16 ++threadPoolCounters[n];

17 }

18 Interlocked.Increment(ref threadDone);

19 }

没有什么要特殊说明的，就是新类库的使用。看代码，好像比使用线程或线程池更加简单直接，有机会争取多用一用。我在本地测试的时候，在Release版本下，按照count的大小逆序排列，总体上G>D>F>E。需要注意到一件事，就是SmartThreadPool中排入队列的任务是一个返回值为Object的委托类型，这和其他的几个没有返回的（void类型）不同。SmartThreadPool口碑还是不错的，也许是我没有正确使用它。

最后小结一下：本文主要列举了C#中我所知道的几种常见的异步处理的方法，欢迎大家纠错或补充。