C# 4.0: полное руководство - Герберт Шилдт

Поток представляет собой координируемую единицу исполняемого кода. Своим происхождением этот термин обязан понятию "поток исполнения". При организации многозадачности на основе потоков у каждого процесса должен быть по крайней мере один поток, хотя их может быть и больше. Это означает, что в одной программе одновременно могут решаться две задачи и больше. Например, текст может форматироваться в редакторе текста одновременно с его выводом на печать, при условии, что оба эти действия выполняются в двух отдельных потоках.

Отличия в многозадачности на основе процессов и потоков могут быть сведены к следующему: многозадачность на основе процессов организуется для параллельного выполнения программ, а многозадачность на основе потоков — для параллельного выполнения отдельных частей одной программы.

Главное преимущество многопоточной обработки заключается в том, что она позволяет писать программы, которые работают очень эффективно благодаря возможности выгодно использовать время простоя, неизбежно возникающее в ходе выполнения большинства программ. Как известно, большинство устройств ввода-вывода, будь то устройства, подключенные к сетевым портам, накопители на дисках или клавиатура, работают намного медленнее, чем центральный процессор (ЦП). Поэтому большую часть своего времени программе приходится ожидать отправки данных на устройство ввода-вывода или приема информации из него. А благодаря многопоточной обработке программа может решать какую-нибудь другую задачу во время вынужденного простоя. Например, в то время как одна часть программы отправляет файл через соединение с Интернетом, другая ее часть может выполнять чтение текстовой информации, вводимой с клавиатуры, а третья — осуществлять буферизацию очередного блока отправляемых данных.

Поток может находиться в одном из нескольких состояний. В целом, поток может быть выполняющимся; готовым к выполнению, как только он получит время и ресурсы ЦП; приостановленным, т.е. временно не выполняющимся; возобновленным в дальнейшем; заблокированным в ожидании ресурсов для своего выполнения; а также завершенным, когда его выполнение окончено и не может быть возобновлено.

В среде .NET Framework определены две разновидности потоков: приоритетный и фоновый. По умолчанию создаваемый поток автоматически становится приоритетным, но его можно сделать фоновым. Единственное отличие приоритетных потоков от фоновых заключается в том, что фоновый поток автоматически завершается, если в его процессе остановлены все приоритетные потоки.

В связи с организацией многозадачности на основе потоков возникает потребность в особого рода режиме, который называется синхронизацией и позволяет координировать выполнение потоков вполне определенным образом. Для такой синхронизации в C# предусмотрена отдельная подсистема, основные средства которой рассматриваются в этой главе.

Все процессы состоят хотя бы из одного потока, который обычно называют основным, поскольку именно с него начинается выполнение программы. Следовательно, в основном потоке выполнялись все приведенные ранее примеры программ. Из основного потока можно создать другие потоки.

В языке C# и среде .NET Framework поддерживаются обе разновидности многозадачности: на основе процессов и на основе потоков. Поэтому средствами C# можно создавать как процессы, так и потоки, а также управлять и теми и другими. Для того чтобы начать новый процесс, от программирующего требуется совсем немного усилий, поскольку каждый предыдущий процесс совершенно обособлен от последующего. Намного более важной оказывается поддержка в C# многопоточной обработки, благодаря которой упрощается написание высокопроизводительных, многопоточных программ на C# по сравнению с некоторыми другими языками программирования.

Классы, поддерживающие многопоточное программирование, определены в пространстве имен System.Threading. Поэтому любая многопоточная программа на C# включает в себя следующую строку кода.

using System.Threading;

Класс Thread

Система многопоточной обработки основывается на классе Thread, который инкапсулирует поток исполнения. Класс Thread является герметичным, т.е. он не может наследоваться. В классе Thread определен ряд методов и свойств, предназначенных для управления потоками. На протяжении всей этой главы будут рассмотрены наиболее часто используемые члены данного класса.

Создание и запуск потока

Для создания потока достаточно получить экземпляр объекта типа Thread, т.е. класса, определенного в пространстве имен System.Threading. Ниже приведена простейшая форма конструктора класса Thread:

public Thread(ThreadStart запуск)

где запуск — это имя метода, вызываемого с целью начать выполнение потока, a ThreadStart — делегат, определенный в среде .NET Framework, как показано ниже.

public delegate void ThreadStart()

Следовательно, метод, указываемый в качестве точки входа в поток, должен иметь возвращаемый тип void и не принимать никаких аргументов.

Вновь созданный новый поток не начнет выполняться до тех пор, пока не будет вызван его метод Start(), определяемый в классе Thread. Существуют две формы объявления метода Start(). Ниже приведена одна из них.

public void Start()

Однажды начавшись, поток будет выполняться до тех пор, пока не произойдет возврат из метода, на который указывает запуск. Таким образом, после возврата из этого метода поток автоматически прекращается. Если же попытаться вызвать метод Start() для потока, который уже начался, это приведет к генерированию исключения ThreadStateException.

В приведенном ниже примере программы создается и начинает выполняться новый поток.

// Создать поток исполнения.

using System;

using System.Threading;

class MyThread {

  public int Count;

  string thrdName;

  public MyThread(string name) {

    Count = 0;

    thrdName = name;

  }

  // Точка входа в поток,

  public void Run() {

    Console.WriteLine(thrdName + " начат.");

    do {

      Thread.Sleep(500);

      Console.WriteLine("В потоке " + thrdName + ", Count = " + Count);

      Count++;

    } while (Count < 10);

    Console.WriteLine(thrdName + " завершен.");

  }

}

class MultiThread {

  static void Main() {

    Console.WriteLine("Основной поток начат.");

    // Сначала сконструировать объект типа MyThread.

    MyThread mt = new MyThread("Потомок #1");

    // Далее сконструировать поток из этого объекта.

    Thread newThrd = new Thread(mt.Run);

    // И наконец, начать выполнение потока.

    newThrd.Start();

    do {

      Console.Write(".");

      Thread.Sleep(100);

    } while (mt.Count != 10);

    Console.WriteLine("Основной поток завершен.");

  }

}

Рассмотрим приведенную выше программу более подробно. В самом ее начале определяется класс MyThread, предназначенный для создания второго потока исполнения. В методе Run() этого класса организуется цикл для подсчета от 0 до 9. Обратите внимание на вызов статического метода Sleep(), определенного в классе Thread. Этот метод обусловливает приостановление того потока, из которого он был вызван, на определенный период времени, указываемый в миллисекундах. Когда приостанавливается один поток, может выполняться другой. В данной программе используется следующая форма метода Sleep():

public static void Sleep(int миллисекунд_простоя)

где миллисекунд_простоя обозначает период времени, на который приостанавливается выполнение потока. Если указанное количество миллисекунд_простоя равно нулю, то вызывающий поток приостанавливается лишь для того, чтобы предоставить возможность для выполнения потока, ожидающего своей очереди.