编辑推荐
在计算机处理器发展为包含越来越多的核心的时期,多线程是创建可伸缩性、高效的、高响应性应用程序的关键因素。如果你没有正确地使用多线程,它会导致难以捉摸的问题,需要你花费大量时间去解决。因此,现代应用程序开发人员必须深入理解多线程。
《C#多线程编程实战》是一本通俗易懂的C#多线程编程指南,通过70多个容易理解的示例,循序渐进地讲解C#5.0中的异步及并发编程,引导读者了解Windows下C#多线程编程的多样性。
通过阅读本书,你将学到:
使用原始线程、异步线程,以及协调它们工作
使用任务并行库设计自己的异步API
使用C# 5.0异步语言特性
使用I/O线程提高服务器应用程序性能
使用PLINQ并行化LINQ查询
使用Windows 8异步API
使用Reactive Extensions运行异步操作并管理选项
内容简介
2005年,英特尔推出了其首款多核心CPU,从此计算机开始向不同的方向发展。低耗电量及多个计算核心变得比提高行计算(row computing)核心性能更重要。这也导致了编程范式的改变。现在我们需要学习如何有效地使用所有CPU核心来优化性能。我们在编写服务器端应用程序时需要有效地利用多个CPU核心,甚至多台计算机来支持尽可能多的用户。为了创建这样的应用程序,你需要学习如何在程序中有效地使用多个CPU核心。如果你使用的是Microsoft .NET开发平台以及C#编程语言,那么本书将是一个编写高性能、高响应性的应用程序的完美起点。
《C#多线程编程实战》共分为11章,第1章介绍C#中基本的线程操作;第2章描述线程交互细节;第3章解释线程池概念;第4章深入讲解任务并行库框架;第5章深入解释C#5.0中的新功能——异步方法;第6章描述.NET框架中并行算法的标准数据结构;第7章深入讲解并行LINQ基础设施;第8章解释如何以及何时使用Reactive Extensions框架;第9章深入讲解异步I/O进程,包括文件、网络及数据库等场景;第10章针对常见的并行编程问题给出一些解决方案;第11章讲述编写基于Windows 8的异步应用程序的场景。
作者简介
Eugene Agafonov,ABBYY公司Web开发部门主管,有超过15年的专业软件开发经验。从2006年到现在一直是ASP.NET方面的微软最有价值专家,并且经常在当地的软件开发大会上发表演讲。他主要的专业兴趣是基于云的软件架构、可伸缩性和可用性的研究。你可以通过他的个人网站eugeneagafonov.com或twitter账号@eugene_agafonov来联系他。
黄博文,ThoughtWorks高级软件工程师,擅长.Net、Java和JavaScript等编程语言。他拥有AWS解决方案架构师认证,在项目管理中尤其是敏捷实施方面有丰富的经验,目前专注于云计算及DevOps相关技术。译作有《Effective JavaScript》、《HTML 5和CSS3响应式Web设计指南》等。他的个人博客为www.huangbowen.net。
目录
前言
第1章 线程基础
1.1 简介
1.2 使用C#创建线程
1.2.1 准备工作
1.2.2 实现方式
1.2.3 工作原理
1.3 暂停线程
1.3.1 准备工作
1.3.2 实现方式
1.3.3 工作原理
1.4 线程等待
1.4.1 准备工作
1.4.2 实现方式
1.4.3 工作原理
1.5 终止线程
1.5.1 准备工作
1.5.2 实现方式
1.5.3 工作原理
1.6 检测线程状态
1.6.1 准备工作
1.6.2 实现方式
1.6.3 工作原理
1.7 线程优先级
1.7.1 准备工作
1.7.2 实现方式
1.7.3 工作原理
1.8 前台线程和后台线程
1.8.1 准备工作
1.8.2 实现方式
1.8.3 工作原理
1.9 向线程传递参数
1.9.1 准备工作
1.9.2 实现方式
1.9.3 工作原理
1.9.4 更多信息
1.10 使用C#中的lock关键字
1.10.1 准备工作
1.10.2 实现方式
1.10.3 工作原理
1.11 使用Monitor类锁定资源
1.11.1 准备工作
1.11.2 实现方式
1.11.3 工作原理
1.12 处理异常
1.12.1 准备工作
1.12.2 实现方式
1.12.3 工作原理
第2章 线程同步
2.1 简介
2.2 执行基本的原子操作
2.2.1 准备工作
2.2.2 实现方式
2.2.3 工作原理
2.3 使用Mutex类
2.3.1 准备工作
2.3.2 实现方式
2.3.3 工作原理
2.4 使用SemaphoreSlim类
2.4.1 准备工作
2.4.2 实现方式
2.4.3 工作原理
2.4.4 更多信息
2.5 使用AutoResetEvent类
2.5.1 准备工作
2.5.2 实现方式
2.5.3 工作原理
2.6 使用ManualResetEventSlim类
2.6.1 准备工作
2.6.2 实现方式
2.6.3 工作原理
2.6.4 更多信息
2.7 使用CountDownEvent类
2.7.1 准备工作
2.7.2 实现方式
2.7.3 工作原理
2.8 使用Barrier类
2.8.1 准备工作
2.8.2 实现方式
2.8.3 工作原理
2.9 使用ReaderWriterLockSlim类
2.9.1 准备工作
2.9.2 实现方式
2.9.3 工作原理
2.10 使用SpinWait类
2.10.1 准备工作
2.10.2 实现方式
2.10.3 工作原理
第3章 使用线程池
3.1 简介
3.2 在线程池中调用委托
3.2.1 准备工作
3.2.2 实现方式
3.2.3 工作原理
3.3 向线程池中放入异步操作
3.3.1 准备工作
3.3.2 实现方式
3.3.3 工作原理
3.4 线程池与并行度
3.4.1 准备工作
3.4.2 实现方式
3.4.3 工作原理
3.5 实现一个取消选项
3.5.1 准备工作
3.5.2 实现方式
3.5.3 工作原理
3.6 在线程池中使用等待事件处理器及超时
3.6.1 准备工作
3.6.2 实现方式
3.6.3 工作原理
3.6.4 更多信息
3.7 使用计时器
3.7.1 准备工作
3.7.2 实现方式
3.7.3 工作原理
3.8 使用BackgroundWorker组件
3.8.1 准备工作
3.8.2 实现方式
3.8.3 工作原理
第4章 使用任务并行库
4.1 简介
4.2 创建任务
4.2.1 准备工作
4.2.2 实现方式
4.2.3 工作原理
4.3 使用任务执行基本的操作
4.3.1 准备工作
4.3.2 实现方式
4.3.3 工作原理
4.4 组合任务
4.4.1 准备工作
4.4.2 实现方式
4.4.3 工作原理
4.5 将APM模式转换为任务
4.5.1 准备工作
4.5.2 实现方式
4.5.3 工作原理
4.6 将EAP模式转换为任务
4.6.1 准备工作
4.6.2 实现方式
4.6.3 工作原理
4.7 实现取消选项
4.7.1 准备工作
4.7.2 实现方式
4.7.3 工作原理
4.8 处理任务中的异常
4.8.1 准备工作
4.8.2 实现方式
4.8.3 工作原理
4.8.4 更多信息
4.9 并行运行任务
4.9.1 准备工作
4.9.2 实现方式
4.9.3 工作原理
4.10 使用TaskScheduler配置任务的执行
4.10.1 准备工作
4.10.2 实现方式
4.10.3 工作原理
第5章 使用C# 5.0
5.1 简介
5.2 使用await操作符获取异步任务结果
5.2.1 准备工作
5.2.2 实现方式
5.2.3 工作原理
5.3 在lambda表达式中使用await操作符
5.3.1 准备工作
5.3.2 实现方式
5.3.3 工作原理
5.4 对连续的异步任务使用await操作符
5.4.1 准备工作
5.4.2 实现方式
5.4.3 工作原理
5.5 对并行执行的异步任务使用await操作符
5.5.1 准备工作
5.5.2 实现方式
5.5.3 工作原理
5.6 处理异步操作中的异常
5.6.1 准备工作
5.6.2 实现方式
5.6.3 工作原理
5.7 避免使用捕获的同步上下文
5.7.1 准备工作
5.7.2 实现方式
5.7.3 工作原理
5.8 使用async void方法
5.8.1 准备工作
5.8.2 实现方式
5.8.3 工作原理
5.9 设计一个自定义的awaitable类型
5.9.1 准备工作
5.9.2 实现方式
5.9.3 工作原理
5.10 对动态类型使用await
5.10.1 准备工作
5.10.2 实现方式
5.10.3 工作原理
第6章 使用并发集合
6.1 简介
6.2 使用ConcurrentDictionary
6.2.1 准备工作
6.2.2 实现方式
6.2.3 工作原理
6.3 使用ConcurrentQueue实现异步处理
6.3.1 准备工作
6.3.2 实现方式
6.3.3 工作原理
6.4 改变ConcurrentStack异步处理顺序
6.4.1 准备工作
6.4.2 实现方式
6.4.3 工作原理
6.5 使用ConcurrentBag创建一个可扩展的爬虫
6.5.1 准备工作
6.5.2 实现方式
6.5.3 工作原理
6.6 使用BlockingCollection进行异步处理
6.6.1 准备工作
6.6.2 实现方式
6.6.3 工作原理
第7章 使用PLINQ
7.1 简介
7.2 使用Parallel类
7.2.1 准备工作
7.2.2 实现方式
7.2.3 工作原理
7.3 并行化LINQ查询
7.3.1 准备工作
7.3.2 实现方式
7.3.3 工作原理
7.4 调整PLINQ查询的参数
7.4.1 准备工作
7.4.2 实现方式
7.4.3 工作原理
7.5 处理PLINQ查询中的异常
7.5.1 准备工作
7.5.2 实现方式
7.5.3 工作原理
7.6 管理PLINQ查询中的数据分区
7.6.1 准备工作
7.6.2 实现方式
7.6.3 工作原理
7.7 为PLINQ查询创建一个自定义的聚合器
7.7.1 准备工作
7.7.2 实现方式
7.7.3 工作原理
第8章 使用Reactive Extensions
8.1 简介
8.2 将普通集合转换为异步的可观察集合
8.2.1 准备工作
8.2.2 实现方式
8.2.3 工作原理
8.3 编写自定义的可观察对象
8.3.1 准备工作
8.3.2 实现方式
8.3.3 工作原理
8.4 使用Subject
8.4.1 准备工作
8.4.2 实现方式
8.4.3 工作原理
8.5 创建可观察的对象
8.5.1 准备工作
8.5.2 实现方式
8.5.3 工作原理
8.6 对可观察的集合使用LINQ查询
8.6.1 准备工作
8.6.2 实现方式
8.6.3 工作原理
8.7 使用Rx创建异步操作
8.7.1 准备工作
8.7.2 实现方式
8.7.3 工作原理
第9章 使用异步I/O
9.1 简介
9.2 异步地使用文件
9.2.1 准备工作
9.2.2 实现方式
9.2.3 工作原理
9.3 编写一个异步的HTTP服务器和客户端
9.3.1 准备工作
9.3.2 实现方式
9.3.3 工作原理
9.4 异步操作数据库
9.4.1 准备工作
9.4.2 实现方式
9.4.3 工作原理
9.5 异步调用WCF服务
9.5.1 准备工作
9.5.2 实现方式
9.5.3 工作原理
第10章 并行编程模式
10.1 简介
10.2 实现惰性求值的共享状态
10.2.1 准备工作
10.2.2 实现方式
10.2.3 工作原理
10.3 使用BlockingCollection实现并行管道
10.3.1 准备工作
10.3.2 实现方式
10.3.3 工作原理
10.4 使用TPL数据流实现并行管道
10.4.1 准备工作
10.4.2 实现方式
10.4.3 工作原理
10.5 使用PLINQ实现Map/Reduce模式
10.5.1 准备工作
10.5.2 实现方式
10.5.3 工作原理
第11章 更多信息
11.1 简介
11.2 在Windows商店应用中使用计时器
11.2.1 准备工作
11.2.2 实现方式
11.2.3 工作原理
11.3 在通常的应用程序中使用WinRT
11.3.1 准备工作
11.3.2 实现方式
11.3.3 工作原理
11.4 在Windows商店应用中使用BackgroundTask
11.4.1 准备工作
11.4.2 实现方式
11.4.3 工作原理
前言/序言
不久前,典型的个人计算机的CPU还只有一个计算核心,并且功耗足以煎熟鸡蛋。2005年,英特尔推出了其首款多核心CPU,从此计算机开始向不同的方向发展。低耗电量及多个计算核心变得比提高行计算(row computing)核心性能更重要。这也导致了编程范式的改变。现在我们需要学习如何有效地使用所有CPU核心来最优化性能,并同时通过在特定时间只运行需要的程序来节省电池电量。除此之外,我们在编写服务器端应用程序时需要有效地利用多个CPU核心,甚至多台计算机来支持尽可能多的用户。
为了创建这样的应用程序,你需要学习如何在程序中有效地使用多个CPU核心。如果你使用的是Microsoft .NET开发平台以及C#编程语言,那么本书将是一个编写高性能、高响应性的应用程序的完美起点。
本书的目的是给你提供C#中多线程以及并行编程的详尽指导。我们将从基本概念开始,每章主题比前一章都有所拔高,最后展示现实世界中的并行编程模式以及Windows商店应用示例。
本书内容
第1章介绍了C#中基本的线程操作。本章解释了什么是线程,使用线程的优缺点,以及与线程相关的其他重要方面。
第2章描述了线程交互细节。你将了解为何我们需要协调线程,以及协调组织线程的不同方式。
第3章解释了线程池概念。本章展示了如何使用线程池,如何执行异步操作,以及使用线程池的好的和不好的实践。
第4章深入讲解了任务并行库(Task Parallel Library,TPL)框架。本章讲述了TPL的所有重要方面,包括任务组合、异常管理及取消操作等。
第5章深入解释了C# 5.0中的新功能——异步方法。你将了解async和await关键字,如何在不同的场景中使用它们,以及await底层工作机制。
第6章描述了.NET框架中并行算法的标准数据结构,并为每种数据结构展示了示例编程场景。
第7章深入讲解了并行LINQ基础设施。本章讲述了任务和数据并行度,并行化LINQ查询,调整并行选项,分割查询,集合并行查询结果等内容。
第8章解释了如何以及何时使用Reactive Extensions框架。你将学习如何组合事件,如何对事件序列执行LINQ查询等。
第9章深入讲解了异步I/O进程,包括文件、网络及数据库等场景。
第10章列出了针对常见的并行编程问题的解决方案。
第11章覆盖了基于Windows 8的编写异步应用程序的场景。你将学习如何使用Windows 8异步API,以及如何在Windows商店应用中完成后台工作。
准备事项
我们需要 Windows桌面版本的Microsoft Visual Studio Express 2012来完成大多数章节的学习。第11章中的小节还需要Windows 8操作系统和Visual Studio Express 2012编译Windows商店应用。
读者对象
本书的读者对象为没有或只有少量多线程及异步和并发编程背景的C#开发人员。本书涵盖了C#和.NET生态系统中从基础概念到复杂编程模式及算法的很多与多线程相关的主题。
下载示例代码
本书的示例代码可登录华章网站中的本书页面下载。
《C 并发与多线程编程精粹:深度解析与实践技巧》 本书是一本专为希望深入理解和掌握C并发与多线程编程的开发人员量身打造的实践指南。它聚焦于并发编程的核心概念、模式、工具与最佳实践,旨在帮助读者构建出更高效、更稳定、更具响应性的应用程序。我们不仅仅停留在理论层面,更将重点放在实际开发中的挑战与解决方案,通过大量精心设计的代码示例和贴近实际的应用场景,引领读者一步步解锁多线程编程的强大能力。 本书核心内容概览: 第一部分:并发编程基础与线程生命周期 理解并发与并行: 区分并发(Concurrency)与并行(Parallelism)的概念,理解它们在单核与多核处理器环境下的体现,以及它们对程序性能和设计的影响。 线程的诞生与终结: 详细阐述C中线程的创建、启动、执行流程以及线程的生命周期状态(如新建、可运行、阻塞、终止)。我们将深入了解`Thread`类,学习如何手动创建和管理线程,以及在不同场景下选择合适线程创建方式的考量。 线程同步的必要性: 深入剖析多线程环境下共享资源可能引发的竞态条件(Race Condition)、死锁(Deadlock)、活锁(Livelock)等常见问题。通过生动的比喻和图示,清晰地展现这些问题的根源,为后续的学习打下坚实的基础。 Thread.Sleep()与线程协作: 探讨`Thread.Sleep()`方法的用法,以及它在简单场景下如何用于控制线程的执行节奏。同时,也会提及这种方式的局限性,并引出更高级的线程同步机制。 线程优先级与公平性: 理解线程优先级的概念,以及它们如何在多核处理器上影响线程的调度。讨论线程优先级设置的潜在风险,以及如何在追求性能和保证公平性之间取得平衡。 第二部分:高级线程同步与通信机制 锁(Locking)机制详解: `lock`关键字: 详细讲解C中`lock`关键字的用法,包括其背后的`Monitor`类。通过实例演示如何使用`lock`来保护共享资源,防止竞态条件。 `Mutex`(互斥锁): 介绍`Mutex`类,它不仅能在同一进程内实现线程同步,还能跨进程实现同步。深入探讨`Mutex`的创建、获取、释放以及超时机制。 `Semaphore`(信号量): 讲解`Semaphore`和`SemaphoreSlim`,它们用于限制同一时间访问共享资源的线程数量,常用于控制对数据库连接池、网络端口等资源的并发访问。 `ReaderWriterLockSlim`(读写锁): 重点介绍`ReaderWriterLockSlim`,它能够允许多个读线程同时访问,但只允许一个写线程独占访问,显著提高读密集型场景的性能。 线程间通信与协作: `ManualResetEvent`与`AutoResetEvent`: 深入理解这两个事件对象在线程间的信号通知与等待机制。通过丰富的示例,展示它们如何在主线程与工作线程之间传递控制信号。 `CountdownEvent`: 学习如何使用`CountdownEvent`来等待一组线程完成它们的工作,当计数达到零时,等待的线程将被释放。 `Barrier`(栅栏): 介绍`Barrier`类,它允许一组线程在执行到某个点时互相等待,直到所有线程都到达该点后,再一同继续执行,常用于并行计算中的阶段性同步。 `Interlocked`类: 讲解`Interlocked`类提供的一系列原子操作,如原子增减、比较并交换等,它们能够在不使用锁的情况下安全地更新共享变量,避免了锁的开销。 自旋锁(SpinLock): 探讨`SpinLock`,它在短时间内会忙等待,适合于锁被持有的时间非常短的场景,以减少线程上下文切换的开销。 第三部分:任务并行库(TPL)的强大力量 `Task`与`Task`: 深度解析`Task`和`Task`,它们是TPL的核心,提供了比`Thread`更高级、更易用的并发编程模型。学习如何创建、启动、取消和等待任务。 `Parallel.For`与`Parallel.ForEach`: 掌握如何利用`Parallel.For`和`Parallel.ForEach`轻松地将循环并行化,释放多核处理器的潜力,极大地提升数据处理和计算密集型任务的效率。 `Task.WhenAll`与`Task.WhenAny`: 学习如何使用`Task.WhenAll`等待多个任务全部完成,以及如何使用`Task.WhenAny`等待多个任务中任意一个完成,实现高效的并发控制。 `CancellationTokenSource`与`CancellationToken`: 掌握任务取消的机制,学习如何通过`CancellationToken`优雅地取消长时间运行的任务,提高应用程序的响应性和资源管理能力。 `ParallelOptions`: 深入了解`ParallelOptions`,它允许我们更精细地控制并行操作的行为,如设置最大并行度、处理异常等。 TPL Dataflow(数据流): 介绍TPL Dataflow库,它提供了一种声明式的、基于消息传递的并行编程模型,非常适合构建复杂的并发数据处理管道,如生产者-消费者模式。 第四部分:异步编程模型(APM)与事件驱动模型 `async`/`await`关键字: 彻底理解C 5.0引入的`async`/`await`关键字,这是现代C异步编程的基石。我们不仅会讲解语法,更会深入揭示其背后的工作原理,包括状态机、IL代码生成等,让你知其然更知其所以然。 异步操作的生命周期: 详细分析异步方法的执行流程,从调用到完成的整个生命周期,理解`Task`在异步操作中的作用。 `ConfigureAwait(false)`的最佳实践: 讲解`ConfigureAwait(false)`的真正含义和适用场景,帮助读者避免在UI线程或其他敏感上下文中引入不必要的同步问题。 I/O绑定与CPU绑定操作: 区分I/O绑定(如网络请求、文件读写)和CPU绑定(如复杂计算)操作,以及在不同类型操作中使用异步编程的优势与策略。 事件驱动模型与回调: 探讨事件驱动模型和回调机制在并发编程中的应用,以及如何将其与TPL和`async`/`await`结合使用。 第五部分:并发集合与高级主题 `System.Collections.Concurrent`命名空间: 介绍`ConcurrentBag`、`ConcurrentDictionary`、`ConcurrentQueue`、`ConcurrentStack`等线程安全集合,它们极大地简化了多线程环境下对集合的操作,避免了手动加锁的繁琐。 线程本地存储(Thread-Local Storage): 讲解`ThreadLocal`,它为每个线程提供独立的数据副本,避免了共享数据带来的同步开销,适用于某些特定的数据管理场景。 生产者-消费者模式(Producer-Consumer Pattern): 通过多种实现方式(如使用`BlockingCollection`),详细阐述经典的生产者-消费者模式,以及它在缓冲、解耦和流量控制方面的应用。 死锁的检测与预防: 提供一套系统的方法论来检测和预防死锁,包括分析锁的依赖关系、使用公平的锁获取顺序、设置超时等。 线程池(Thread Pool): 深入理解.NET线程池的工作机制,以及如何通过`ThreadPool.QueueUserWorkItem`等方法将任务提交给线程池执行,从而提高效率并减少线程创建和销毁的开销。 并行 LINQ (PLINQ): 介绍PLINQ,它是LINQ to Objects的并行版本,能够自动并行化LINQ查询,为数据处理提供便捷的并行能力。 第六部分:实际应用与性能优化 UI应用程序中的并发: 专注于在Windows Forms、WPF等UI框架中进行安全、高效的并发编程,讲解如何在后台线程执行耗时操作,并安全地更新UI。 ASP.NET Core中的并发: 探讨在Web应用程序中处理高并发请求的策略,包括异步控制器、TPL的应用、缓存机制等。 性能分析与调优: 提供使用性能分析工具(如Visual Studio Profiler)来识别并发瓶颈、检测死锁和内存泄漏的方法。 并发编程的调试技巧: 分享在多线程环境下调试的经验和技巧,包括如何使用断点、观察变量、查看线程堆栈等。 实际案例分析: 通过多个来自实际项目开发的案例,展示如何将本书中学到的知识融会贯通,解决复杂的多线程编程问题。 本书特色: 深度与广度并重: 既涵盖了并发编程的 foundational 概念,也深入探讨了 C 中最先进的并发工具和模式。 代码驱动的讲解: 提供大量可运行、可调试的代码示例,让读者在实践中学习和理解。 贴近实际的场景: 所有的示例和讨论都紧密结合实际开发需求,帮助读者解决工作中遇到的问题。 清晰的结构与逻辑: 内容组织循序渐进,从基础到高级,层层深入,易于读者掌握。 强调最佳实践: 不仅教授“如何做”,更强调“为何这样做”以及“如何做得更好”,帮助读者养成良好的并发编程习惯。 目标读者: 有一定 C 基础,希望提升应用程序性能和响应性的中高级开发人员。 需要处理大量并发请求的 Web 服务开发人员。 需要进行复杂数据处理和计算密集型任务的开发人员。 对并发编程原理感兴趣,希望深入理解底层机制的开发者。 通过本书的学习,您将能够自信地驾驭 C 的并发世界,构建出更加强大、高效和可靠的应用程序。