DotNet面试题解析08-多线程与线程同步

线程基础

进程与线程

我们运行一个exe，就是一个进程实例，系统中有很多个进程。每一个进程都有自己的内存地址空间，每个进程相当于一个独立的边界，有自己的独占的资源，进程之间不能共享代码和数据空间。

每一个进程有一个或多个线程，进程内多个线程可以共享所属进程的资源和数据，线程是操作系统调度的基本单元。线程是由操作系统来调度和执行的，她的基本状态如下图。

线程的开销及调度

创建一个线程,主要包括线程内核对象、线程环境块、1M大小的用户模式栈、内核模式栈。其中用户模式栈对于普通的系统线程那1M是预留的，在需要的时候才会分配，但是对于CLR线程，那1M是一开始就分类了内存空间的。

操作系统中那么多线程（一般都有上千个线程，大部分都处于休眠状态），对于单核CPU，一次只能有一个线程被调度执行，那么多线程怎么分配的呢？Windows系统采用时间轮询机制，CPU计算资源以时间片(大约30ms)的形式分配给执行线程。

计算机资源（CPU核心和CPU寄存器）一次只能调度一个线程，具体的调度流程：

• 把CPU寄存器内的数据保存到当前线程内部（线程上下文等地方），给下一个线程腾地方；
• 线程调度：在线程集合里取出一个需要执行的线程；
• 加载新线程的上下文数据到CPU寄存器；
• 新线程执行，享受她自己的CPU时间片（大约30ms），完了之后继续回到第一步，继续轮回；

上面线程调度的过程，就是一次线程切换，一次切换就涉及到线程上下文等数据的搬入搬出，性能开销是很大的。因此线程不可滥用，线程的创建和消费也是很昂贵的，这也是为什么建议尽量使用线程池的一个主要原因。

线程的主要几点性能影响：

• 线程的创建、销毁都是很昂贵的；
• 线程上下文切换有极大的性能开销，当然假如需要调度的新线程与当前是同一线程的话，就不需要线程上下文切换了，效率要快很多；
• GC执行回收时，首先要（安全的）挂起所有线程，遍历所有线程栈（根），GC回收后更新所有线程的根地址，再恢复线程调用，线程越多，GC要干的活就越多；

多线程

线程池(ThreadPool)

将任务添加进线程池:

ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(方法名));
//重载
ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(方法名), 参数);

因为ThreadPool是静态类 所以不需要实例化.

每个CLR都有一个线程池，线程池在CLR内可以多个AppDomain共享，线程池是CLR内部管理的一个线程集合，初始是没有线程的，在需要的时候才会创建。

基本流程如下：

• 线程池内部维护一个请求列队，用于缓存用户请求需要执行的代码任务，就是ThreadPool.QueueUserWorkItem提交的请求；
• 有新任务后，线程池使用空闲线程或新线程来执行队列请求；
• 任务执行完后线程不会销毁，留着重复使用；
• 线程池自己负责维护线程的创建和销毁，当线程池中有大量闲置的线程时，线程池会自动结束一部分多余的线程来释放资源；

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
namespace 多线程池试验
{
    class Program
    {
        public static void Main()
        {
            //新建ManualResetEvent对象并且初始化为无信号状态
            ManualResetEvent eventX = new ManualResetEvent(false);
            ThreadPool.SetMaxThreads(3, 3);
            thr t = new thr(15, eventX);
            for (int i = 0; i < 15; i++)
            {
                ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(t.ThreadProc), i);
            }
            //等待事件的完成，即线程调用ManualResetEvent.Set()方法
            //eventX.WaitOne  阻止当前线程，直到当前 WaitHandle 收到信号为止。 
            eventX.WaitOne(Timeout.Infinite, true);
            Console.WriteLine("断点测试");
            Thread.Sleep(10000);
            Console.WriteLine("运行结束");
        }

        public class thr
        {
            public thr(int count,ManualResetEvent mre)
            {
                iMaxCount = count;
                eventX = mre;
            }

            public static int iCount = 0;
            public static int iMaxCount = 0;
            public ManualResetEvent eventX;
            public void ThreadProc(object i)
            {
                Console.WriteLine("Thread[" + i.ToString() + "]");
                Thread.Sleep(2000);
                //Interlocked.Increment()操作是一个原子操作，作用是:iCount++ 具体请看下面说明 
                //原子操作，就是不能被更高等级中断抢夺优先的操作。你既然提这个问题，我就说深一点。
                //由于操作系统大部分时间处于开中断状态，
                //所以，一个程序在执行的时候可能被优先级更高的线程中断。
                //而有些操作是不能被中断的，不然会出现无法还原的后果，这时候，这些操作就需要原子操作。
                //就是不能被中断的操作。
                Interlocked.Increment(ref iCount);
                if (iCount == iMaxCount)
                {
                    Console.WriteLine("发出结束信号!");
                    //将事件状态设置为终止状态，允许一个或多个等待线程继续。
                    eventX.Set();
                }
            }
        }
    }
}

AutoResetEvent和ManualResetEvent区别：
AutoResetEvent的WaitOne()方法执行后会自动又将信号置为不发送状态也就是阻塞状态，当再次遇到WaitOne()方法是又会被阻塞，而ManualResetEvent则不会，只要线程处于非阻塞状态则无论遇到多少次WaitOne()方法都不会被阻塞，除非调用ReSet()方法来手动阻塞线程。

线程池是有一个容量的，可以设置线程池的最大活跃线程数，调用方法ThreadPool.SetMaxThreads可以设置相关参数。但很多编程实践里都不建议程序猿们自己去设置这些参数，其实微软为了提高线程池性能，做了大量的优化，线程池可以很智能的确定是否要创建或是消费线程，大多数情况都可以满足需求了。

线程池使得线程可以充分有效地被利用，减少了任务启动的延迟，也不用大量的去创建线程，避免了大量线程的创建和销毁对性能的极大影响。

线程池的不足：

• 线程池内的线程不支持线程的挂起、取消等操作，如想要取消线程里的任务，.NET支持一种协作式方式取消，使用起来也不很方便，而且有些场景并不满足需求；
• 线程内的任务没有返回值，也不知道何时执行完成；
• 不支持设置线程的优先级，还包括其他类似需要对线程有更多的控制的需求都不支持；

任务Task与并行Parallel

任务Task与并行Parallel本质上内部都是使用的线程池，提供了更丰富的并行编程的方式。任务Task基于线程池，可支持返回值，支持比较强大的任务执行计划定制等功能。

//创建一个任务
Task<int> t1 = new Task<int>(n =>
{
    System.Threading.Thread.Sleep(1000);
    return (int)n;
}, 1000);
//定制一个延续任务计划
t1.ContinueWith(task =>
{
    Console.WriteLine("end" + t1.Result);
}, TaskContinuationOptions.AttachedToParent);
t1.Start();
//使用Task.Factory创建并启动一个任务
var t2 = System.Threading.Tasks.Task.Factory.StartNew(() =>
{
    Console.WriteLine("t1:" + t1.Status);
});
Task.WaitAll();
Console.WriteLine(t1.Result);

并行Parallel内部其实使用的是Task对象（TPL会在内部创建System.Threading.Tasks.Task的实例），所有并行任务完成后才会返回。少量短时间任务建议就不要使用并行Parallel了，并行Parallel本身也是有性能开销的，而且还要进行并行任务调度、创建调用方法的委托等等。

GUI线程处理模型

这是很多开发C/S客户端应用程序会遇到的问题，GUI程序的界面控件不允许跨线程访问，如果在其他线程中访问了界面控件，运行时就会抛出一个异常，就像下面的图示，是不是很熟悉！这其中的罪魁祸首就是，就是“GUI的线程处理模型”。

.NET支持多种不同应用程序模型，大多数的线程都是可以做任何事情（他们可能没有引入线程模型），但GUI应用程序（主要是Winform、WPF）引入了一个特殊线程处理模型，UI控件元素只能由创建它的线程访问或修改，微软这样处理是为了保证UI控件的线程安全。

为什么在UI线程中执行一个耗时的计算操作，会导致UI假死呢？这个问题要追溯到Windows的消息机制了。

因为Windows是基于消息机制的，我们在UI上所有的键盘、鼠标操作都是以消息的形式发送给各个应用程序的。GUI线程内部就有一个消息队列，GUI线程不断的循环处理这些消息，并根据消息更新UI的呈现。如果这个时候，你让GUI线程去处理一个耗时的操作（比如花10秒去下载一个文件），那GUI线程就没办法处理消息队列了，UI界面就处于假死的状态。

在线程里处理事件完成后，需要更新UI控件的状态:

（1）使用GUI控件提供的方法，Winform是控件的Invoke方法，WPF中是控件的Dispatcher.Invoke方法

//1.Winform：Invoke方法和BeginInvoke
 this.label.Invoke(method, null); 

//2.WPF：Dispatcher.Invoke
this.label.Dispatcher.Invoke(method, null);

（2）使用.NET中提供的BackgroundWorker执行耗时计算操作，在其任务完成事件RunWorkerCompleted 中更新UI控件

using (BackgroundWorker bw = new BackgroundWorker())
{
    bw.RunWorkerCompleted += new RunWorkerCompletedEventHandler((ojb,arg) =>
    {
        this.label.Text = "test";
    });
    bw.RunWorkerAsync();
}

（3）使用GUI线程处理模型的同步上下文来送封UI控件修改操作，这样可以不需要调用UI控件元素

.NET中提供一个用于同步上下文的类SynchronizationContext，利用它可以把应用程序模型链接到他的线程处理模型，其实它的本质还是调用的第一步（1）中的方法。

实现代码分为三步，第一步定义一个静态类，用于GUI线程的UI元素访问封装：

public static class GUIThreadHelper
{
    public static System.Threading.SynchronizationContext GUISyncContext
    {
        get { return _GUISyncContext; }
        set { _GUISyncContext = value; }
    }

    private static System.Threading.SynchronizationContext _GUISyncContext =
        System.Threading.SynchronizationContext.Current;

    /// <summary>
    /// 主要用于GUI线程的同步回调
    /// </summary>
    /// <param name="callback"></param>
    public static void SyncContextCallback(Action callback)
    {
        if (callback == null) return;
        if (GUISyncContext == null)
        {
            callback();
            return;
        }
        GUISyncContext.Post(result => callback(), null);
    }

    /// <summary>
    /// 支持APM异步编程模型的GUI线程的同步回调
    /// </summary>
    public static AsyncCallback SyncContextCallback(AsyncCallback callback)
    {
        if (callback == null) return callback;
        if (GUISyncContext == null) return callback;
        return asynresult => GUISyncContext.Post(result => callback(result as IAsyncResult), asynresult);
    }
}

第二步，在主窗口注册当前SynchronizationContext：

public partial class MainWindow : Window
    {
        public MainWindow()
        {
            InitializeComponent();
            CLRTest.ConsoleTest.GUIThreadHelper.GUISyncContext = System.Threading.SynchronizationContext.Current;
        }
    }

第三步，就是使用了，可以在任何地方使用

GUIThreadHelper.SyncContextCallback(() =>
{
    this.txtMessage.Text = res.ToString();
    this.btnTest.Content = "DoTest";
    this.btnTest.IsEnabled = true;
});

线程同步构造

基元线程同步构造分为：基元用户模式构造和基元内核模式构造，两种同步构造方式各有优缺点，而混合构造（如lock）就是综合两种构造模式的优点。

用户模式构造

基元用户模式比基元内核模式速度要快，她使用特殊的cpu指令来协调线程，在硬件中发生，速度很快。但也因此Windows操作系统永远检测不到一个线程在一个用户模式构造上阻塞了。举个例子来模拟一下用户模式构造的同步方式：

• 线程1请求了临界资源，并在资源门口使用了用户模式构造的锁；
• 线程2请求临界资源时，发现有锁，因此就在门口等待，并不停的去询问资源是否可用；
• 线程1如果使用资源时间较长，则线程2会一直运行，并且占用CPU时间。占用CPU干什么呢？她会不停的轮询锁的状态，直到资源可用，这就是所谓的活锁；

缺点：线程2会一直使用CPU时间（假如当前系统只有这两个线程在运行），也就意味着不仅浪费了CPU时间，而且还会有频繁的线程上下文切换，对性能影响是很严重的。

当然她的优点是效率高，适合哪种对资源占用时间很短的线程同步。

.NET中为我们提供了两种原子性操作，利用原子操作可以实现一些简单的用户模式锁（如自旋锁）。

• System.Threading.Interlocked：易失构造，它在包含一个简单数据类型的变量上执行原子性的读或写操作。
• Thread.VolatileRead 和 Thread.VolatileWrite：互锁构造，它在包含一个简单数据类型的变量上执行原子性的读和写操作。

内核模式构造

这是针对用户模式的一个补充，先模拟一个内核模式构造的同步流程来理解她的工作方式：

• 线程1请求了临界资源，并在资源门口使用了内核模式构造的锁；
• 线程2请求临界资源时，发现有锁，就会被系统要求睡眠（阻塞），线程2就不会被执行了，也就不会浪费CPU和线程上下文切换了；
• 等待线程1使用完资源后，解锁后会发送一个通知，然后操作系统会把线程2唤醒。假如有多个线程在临界资源门口等待，则会挑选一个唤醒；

看上去是不是非常棒！彻底解决了用户模式构造的缺点，但内核模式也有缺点的：将线程从用户模式切换到内核模式（或相反）导致巨大性能损失。调用线程将从托管代码转换为内核代码，再转回来，会浪费大量CPU时间，同时还伴随着线程上下文切换，因此尽量不要让线程从用户模式转到内核模式。

它的优点就是阻塞线程，不浪费CPU时间，适合那种需要长时间占用资源的线程同步。

内核模式构造的主要有两种方式，以及基于这两种方式的常见的锁：

• 基于事件：如AutoResetEvent、ManualResetEvent
• 基于信号量：如Semaphore

混合线程同步

Lock、SemaphoreSlim、ManualResetEventSlim、Monitor、ReadWriteLockSlim

lock的本质就是使用的Monitor，lock只是一种简化的语法形式，实质的语法形式如下：

bool lockTaken = false;
try
{
    Monitor.Enter(obj, ref lockTaken);
    //...
}
finally
{
    if (lockTaken) Monitor.Exit(obj);
}

Semaphore 信号量

它可以控制对某一段代码或者对某个资源访问的线程的数量，超过这个数量之后，其它的线程就得等待，只有等现在有线程释放了之后，下面的线程才能访问。这个跟锁有相似的功能，只不过不是独占的，它允许一定数量的线程同时访问。

static SemaphoreSlim _sem = new SemaphoreSlim(3);    // 我们限制能同时访问的线程数量是3
static void Main(){
    for (int i = 1; i <= 5; i++) new Thread(Enter).Start(i);
    Console.ReadLine();
}

static void Enter(object id){
    Console.WriteLine(id + " 开始排队...");
    _sem.Wait();
    Console.WriteLine(id + " 开始执行！");
    Thread.Sleep(1000 * (int)id);
    Console.WriteLine(id + " 执行完毕，离开！");
    _sem.Release();
}

同步索引块是.NET中解决对象同步问题的基本机制，该机制为每个堆内的对象（即引用类型对象实例）分配一个同步索引，她其实是一个地址指针，初始值为-1不指向任何地址。

• 创建一个锁对象Object obj，obj的同步索引块（地址）为-1，不指向任何地址；
• Monitor.Enter（obj），创建或使用一个空闲的同步索引块（如下图中的同步块1），这个才是真正的同步索引块，其内部结构就是一个混合锁的结构，包含线程ID、递归计数、等待线程统计、内核对象等，类似一个混合锁AnotherHybridLock。obj对象（同步索引块AsynBlockIndex）指向该同步块1；
• Exit时，重置为-1，那个同步索引块1可以被重复利用；

Lock关键字

lock 确保当一个线程位于代码的临界区时，另一个线程不进入临界区。如果其他线程试图进入锁定的代码，则它将一直等待（即被阻止），直到该对象被释放。

通常，应避免锁定 public 类型，否则实例将超出代码的控制范围。常见的结构 lock (this)、lock (typeof (MyType)) 和 lock (“myLock”) 违反此准则：

• 如果实例可以被公共访问，将出现 lock (this) 问题。
• 如果 MyType 可以被公共访问，将出现 lock (typeof (MyType)) 问题。
• 由于进程中使用同一字符串的任何其他代码将共享同一个锁，所以出现lock(“myLock”) 问题。

最佳做法是定义 private 对象来锁定, 或 private static 对象变量来保护所有实例所共有的数据。

不要Lock值类型,不要Lock(this),不要Lock(null对象),推荐Lock只读静态对象。

因此，锁对象要求必须为一个引用对象（在堆上）。

多线程使用及线程同步总结

在使用Lock时，关键点就是锁对象了，需要注意以下几个方面：

• 这个对象肯定要是引用类型，值类型可不可呢？值类型可以装箱啊！你觉得可不可以？但也不要用值类型，因为值类型多次装箱后的对象是不同的，会导致无法锁定；
• 不要锁定this，尽量使用一个没有意义的Object对象来锁；
• 不要锁定一个类型对象，因类型对象是全局的；
• 不要锁定一个字符串，因为字符串可能被驻留，不同字符对象可能指向同一个字符串；
• 不要使用[System.Runtime.CompilerServices.MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]，这个可以使用在方法上面，保证方法同一时刻只能被一个线程调用。她实质上是使用lock的，如果是实例方法，会锁定this，如果是静态方法，则会锁定类型对象

题目答案解析

1. 描述线程与进程的区别？

• 一个应用程序实例是一个进程，一个进程内包含一个或多个线程，线程是进程的一部分；
• 进程之间是相互独立的，他们有各自的私有内存空间和资源，进程内的线程可以共享其所属进程的所有资源；

2. 为什么GUI不支持跨线程访问控件？一般如何解决这个问题？

因为GUI应用程序引入了一个特殊的线程处理模型，为了保证UI控件的线程安全，这个线程处理模型不允许其他子线程跨线程访问UI元素。解决方法还是比较多的，如：

• 利用UI控件提供的方法，Winform是控件的Invoke方法，WPF中是控件的Dispatcher.Invoke方法；
• 使用BackgroundWorker；
• 使用GUI线程处理模型的同步上下文SynchronizationContext来提交UI更新操作

上面几个方式在文中已详细给出。

3. 简述后台线程和前台线程的区别？

应用程序必须运行完所有的前台线程才可以退出，或者主动结束前台线程，不管后台线程是否还在运行，应用程序都会结束；而对于后台线程，应用程序则可以不考虑其是否已经运行完毕而直接退出，所有的后台线程在应用程序退出时都会自动结束。

通过将 Thread.IsBackground 设置为 true，就可以将线程指定为后台线程，主线程就是一个前台线程。

4. 说说常用的锁，lock是一种什么样的锁？

常用的如如SemaphoreSlim、ManualResetEventSlim、Monitor、ReadWriteLockSlim，lock是一个混合锁，其实质是Monitor[‘mɒnɪtə]。

5. lock为什么要锁定一个参数，可不可锁定一个值类型？这个参数有什么要求？

lock的锁对象要求为一个引用类型。她可以锁定值类型，但值类型会被装箱，每次装箱后的对象都不一样，会导致锁定无效。

对于lock锁，锁定的这个对象参数才是关键，这个参数的同步索引块指针会指向一个真正的锁（同步块），这个锁（同步块）会被复用。

6. 多线程和异步有什么关系和区别？

多线程是实现异步的主要方式之一，异步并不等同于多线程。实现异步的方式还有很多，比如利用硬件的特性、使用进程或纤程等。在.NET中就有很多的异步编程支持，比如很多地方都有Begin、End的方法，就是一种异步编程支持，她内部有些是利用多线程，有些是利用硬件的特性来实现的异步编程。

7. 线程池的优点有哪些？又有哪些不足？

优点：减小线程创建和销毁的开销，可以复用线程；也从而减少了线程上下文切换的性能损失；在GC回收时，较少的线程更有利于GC的回收效率。

缺点：线程池无法对一个线程有更多的精确的控制，如了解其运行状态等；不能设置线程的优先级；加入到线程池的任务（方法）不能有返回值；对于需要长期运行的任务就不适合线程池。

8. Mutex和lock有何不同？一般用哪一个作为锁使用更好？

Mutex是一个基于内核模式的互斥锁，支持锁的递归调用，而Lock是一个混合锁，一般建议使用Lock更好，因为lock的性能更好。

9. 下面的代码，调用方法DeadLockTest（20），是否会引起死锁？并说明理由。

public void DeadLockTest(int i)
{
    lock (this)   //或者lock一个静态object变量
    {
        if (i > 10)
        {
            Console.WriteLine(i--);
            DeadLockTest(i);
        }
    }
}

不会的，因为lock是一个混合锁，支持锁的递归调用，如果你使用一个ManualResetEvent或AutoResetEvent可能就会发生死锁。

10. 用双检锁实现一个单例模式Singleton。

public static class Singleton<T> where T : class,new()
{
    private static T _Instance;
    private static object _lockObj = new object();

    /// <summary>
    /// 获取单例对象的实例
    /// </summary>
    public static T GetInstance()
    {
        if (_Instance != null) return _Instance;
        lock (_lockObj)
        {
            if (_Instance == null)
            {
                var temp = Activator.CreateInstance<T>();
                System.Threading.Interlocked.Exchange(ref _Instance, temp);
            }
        }
        return _Instance;
    }
}

11.下面代码输出结果是什么？为什么？如何改进她？

int a = 0;
System.Threading.Tasks.Parallel.For(0, 100000, (i) =>
{
a++;
});
Console.Write(a);

输出结果不稳定，小于等于100000。因为多线程访问，没有使用锁机制，会导致有更新丢失。

改进：

System.Threading.Interlocked.Add(ref a, 1);//正确

参考：

.NET面试题解析(07)-多线程编程与线程同步

https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.autoresetevent?view=netframework-4.7.2

C#多线程–线程池（ThreadPool）

C#多线程学习 之 线程池[ThreadPool]

C#深入学习笔记—Lock