C#_Process跟Thread深入研究探討(二)_Task使用總整
融入生活的例子
某一天你的主管突然開始交付了
你無法負荷的工作量時此時又每天問候工作進度
開始就會有一些任務停擺因為你還有其他任務要做的問題發生
這個工作因為我在處理A需求因為比較緊急
所以暫時還沒處理
此時是不是考慮要雇用更多員工幫忙處理任務.........etc
Process 行程(進程)/處理(程)序
就是一個運行的程式，再白話一些你可以說任一exe開啟執行的都算是..
你任何一支無論用C# 、Java、VB.NET、C開發編譯出來的執行檔一被執行時
就會產生Process
你開的任何一個IE、Chrome瀏覽器或其他桌面端應用程式、Word、PowerPoint
也會產生一個Process
每個獨立的執行檔案於開啟時都會於作業系統
中被加載至內存並分配到一組資源來利用
此時我們就稱之為各個單獨的Process，相互不影響彼此。
提問:為何這麼設計??
主要也在於當一支程式掛掉時不會連動到其他程式的安全隔離用意。
雖然呀 ~~我們的應用程式和作業系統之間
已經透過Process的概念來達到隔離保護的效果。
但是必須要瞭解它們仍共用著同樣的CPU資源
因此一台股老機器若CPU只有一顆當某一支應用程式陷入無窮迴圈
則唯一的CPU就為變成只忙著跑該程式，進而無暇控管其餘程式的運行。
因此導致鎖死，因而沒有任何回應。
為了解決多個應用程式共用同一CPU的問題(CPU無法分身)
隨之所產生出Thread的概念。
Thread 執行緒(線程)
則是Process中的組成單元(基本執行單元)
在 Jeffrey Richter 先生所撰寫的 "CLR via C#" 一書中提到
「執行緒是Windows作業系統用來虛擬化CPU的概念」
更進一步解釋到
Windows OS 會配給每一個Process一個獨一無二
專屬的Thread(功能近似於縮小版本的CPU)
因此也可理解為執行緒就是所謂用來切割CPU執行時間之基本單位。
因此現在你啟動工作管理員所看到的個個運行的程式
會發現雖然只有一之程式但執行緒數量卻對應不只一個
於.NET程式語言中設計只要你的程式進入點是使用Main()方法
則會自動建立主執行緒(Main Thread)
Thread-Safe 執行緒安全
我們說 只包含一個 Main Thread的Process是Thread-safe的
主要是因為.NET程式中有規範
在某特定時刻允許只有一個Thread訪問程式中的資料
(在.NET規範中不允許跨執行緒訪問)
然而，如果 Thread 正在執行一些複雜的操作時(比方冗長的文本輸出、執行一個耗時的計算、資料庫讀取甚至嘗試遠程連線)此時一些使用者介面就會產生延遲、沒反應的問題。
也因為單執行緒存在此缺陷，使WindowsAPI和.NET程式有提供創建次執行緒相關函數。
這些次執行緒又常被稱作子執行緒、工作執行緒(worker thread)。
使原本Thread-safe的Process就像是開分身一般，演變成擁有多個Thread的Process，
此時我們稱為Non Thread-safe Process
(無論main thread還是sub thread皆是process當中的一個
獨立執行單元，並且可同時訪問及共享資料。)
總結:
單Thread程式
優點:
可確保資料數據讀寫異動比較不會出錯的安全性
缺點:
會導致當有多筆任務時只能依序完成，因為一個人(執行緒)無法一次多工，
因此會造成等待跟排隊。
多Thread程式
優點:
多分配更多分身(大家都各自是獨立的執行個體)，幫忙分散
工作量，且可同一時間處理不同任務。
缺點:
容易產生死結或是資料讀寫異動時的錯誤
提問:是不是Thread開越多越好??
在問這個問題的同時，要先瞭解到多thread情況下，電腦是由誰來安排任務又交給哪個thread來做的。
答案就是CPU，CPU就很像你的主管，會去花費時間觀察並確認每個員工(worker thread)的工作狀況和進度是否理想。
若我們把各個Thread比擬成部門中的員工，員工A可能工作負荷太大
那就要指派給另一個員工B來幫忙分擔，因此當有太多部屬要管理的時候
所要花費確認和轉換指派工作任務的時間也會提升。
隨著單一Process中的Thread過多，CPU所要花費的任務之間來回切換的耗時也會上升。
因此不是愈多愈好因為還有要考量到CPU的負荷。
對於單CPU電腦而言
其實並沒有能力去同一時間運行多個Thread。更確切一些來說，在任一時刻(時間片刻)內，單CPU只能透過Thread優先權來安排該時刻要執行哪一個Thread。
當一個Thread的執行時刻用完時，則會被掛在一邊作等待，以便執行其他Thread。
就有點像「獨木橋的概念」一次是無法容納得下多個人通過的，但是每次都會限定由誰來走過獨木橋而且有限定時刻(quantum)走完，每個人各自揹著要過去的貨就是所謂的執行任務量，每背過去一袋就完成一部分，之後再換另一個。
(備註:這裡提到的限定時刻這個短暫時間專有名詞為quantum!!!!)
對於單CPU下的Thread而言(可以想成身為工作者的自己)
需要在被掛在一旁前紀錄目前任務進度和發生捨麼事情，這些資訊會被寫入至執行緒本地儲存空間(Thread Local Storage/TLS)，並且在要求獲得一個全新獨立的Call Stack
(關於Call Stack在其他語言中都有相同的概念，於之前js語言中我們有進行過探討，有興趣可參考此篇:Javascript背後運行原理(js引擎)_ExecutionStack)
Context Switch (工作任務切換)
剛剛講到的過獨木橋概念因為有限定時刻運行因而有所切換
改背其他貨品過河
這裡可以想像成你在工作時一次會不只處理一件事情
因此你也會依照輕重緩急作相應切換一般的概念
時常混淆的名詞
並行(Concurrency):一次處理多件工作。
Ex:User邊輸入文字，應用程式於背後一邊檢查拼字正確與否。
多執行緒(multi-threading):特別用多執行緒方式實踐並行。
平行處理(parallel processing):將工作切分為多個細小的單位，分別交由多條執行緒同時處理。
非同步處理(asynchronous processing):也是一種並行形式，但不必(甚至避免)用執行緒，而常用「承諾」(promise) or 回忽事件(callback event)方式達到並行效果。
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多Thread之建立共分為
1.無參數建構子委派之調用 ThreadStart()
2.無參數建構子委派之調用 ParameterizedThreadStart(Object obj)
兩種型態
CODE
1.無參數建構子委派之調用 ThreadStart()
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 | using System; using System.Collections.Generic; using System.Linq; using System.Text; using System.Threading; namespace ThreadTest0 { class Program { static void Main(string[] args) { Thread t1 = new Thread(MyTask); t1.Start(); for (int i = 0; i < 500; i++) { Console.Write("."); } Console.ReadKey(); } /// <summary> /// 不帶有參數的Thread建構子函數 delegate /// delegate void ThreadStart(); /// </summary> static void MyTask() { for(int i = 0; i < 500; i++) { Console.Write("["+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId +"]"); } } } } |
2.無參數建構子委派之調用 ParameterizedThreadStart(Object obj)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 | using System; using System.Collections.Generic; using System.Linq; using System.Text; using System.Threading; namespace ThreadTest0 { class Program { static void Main(string[] args) { //Thread t1 = new Thread(MyTask); //t1.Start(); //for (int i = 0; i < 500; i++) //{ // Console.Write("."); //} Thread th1 = new Thread(MyTaskWithParam); Thread th2 = new Thread(MyTaskWithParam); Thread th3 = new Thread(MyTaskWithParam); th1.Start("x"); th2.Start("y"); th3.Start("z"); for (int i = 0; i < 500; i++) { Console.Write("."); } Console.ReadKey(); } /// <summary> /// 不帶有參數的Thread建構子函數 delegate /// delegate void ThreadStart(); /// </summary> static void MyTask() { for(int i = 0; i < 500; i++) { Console.Write("["+ Thread.CurrentThread.ManagedThreadId +"]"); } } /// <summary> /// 帶有參數的Thread建構子函數 delegate /// delegate void ParameterizedThreadStart(Object obj); /// </summary> /// <param name="param"></param> static void MyTaskWithParam(Object param) { for (int i = 0; i < 500; i++) { Console.Write(param); } } } } |
由上述幾個是Thread之間各自切換執行的過程觀察。
若我們希望 第二個示範中所開的三個Thread可以依序同步執行
則牽涉到Thread的等待
於C#中我們會透過Join語法來讓主Thread依序等待各個worker thread執行完再往下執行
主Thread依序等待各個worker thread執行完再往下執行
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理想情況:
各執行緒相互不影響各自分頭運行，對於設計上比較單純。
現實實務面:
我們很常要在一些特定情況下，
遇到需要讓多個Thread去共享並處理變數內容的不單純情況，因而有所麻煩。
尤其在同時有多個Thread去修改時就需要有相應較巧防止錯誤
自.NET4.0 之後有提供 TPL (Task Parallel Library)的API
特色在於把異步程式設計給模組化成統一單元。
使我們可以直接透過Task調用多個異步運算的程式運行流程( asynchronous operations)
對於 Task 一詞則可視為「異步工作單元」
Creating a compute-based task
如下我們來嘗試建立一個用於運算的Task
預設我們要塞入的參數型態為一Action delegate
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