Материал: Глава 18. Многопоточное программирование

§18.1 Многопоточное программирование

§18.1.1 Определение потоков

Одним из ключевых аспектов в современном программировании является многопоточность. Многопоточность позволяет увеличивать скорость реагирования приложения и, если приложение работает в многопроцессорной или многоядерной системе, его пропускную способность.

Ключевым понятием при работе с многопоточностью является поток.

Поток - основная единица исполнения в операционной системе Windows. Все программы в этой ОС выполняются в потоках. Для того чтобы выполнить код какой-либо программы, ОС сначала создает поток, выделяет для него память,

загружает в нее код программы и только после этого начинается выполнение.

Если говорить простым языком, то поток – это некая независимая последовательность инструкций для выполнения того или иного действия в программе. В одном конкретном потоке выполняется одна конкретная последовательность действий.

1

Совокупность таких потоков, выполняемых в программе параллельно называется многопоточностью программы.

§18.1.2 Пример многопоточности

Для лучшего понимания многопоточности можно представить

следующий пример. Допустим, что наша программа и данные, которые в ней содержатся – это офис с различными предметами (папками, столами,

стульями, ручками), а потоки – это работники данного офиса (изначально у нас только один работник, выполняющий всю работу), и каждый работник занимается теми делами, которые ему было сказано выполнять. Работники могут выполнять одинаковые задания, а могут и различные. В случае выполнения какой-либо одной задачи, несколько работников справятся быстрее, чем один.

Например, если один работник будет собирать шкаф час, то вдвоём они могут управиться уже за полчаса. Однако не стоит переусердствовать в количестве работников (потоков). Математически, если нанять 4 работника, то шкаф соберется за 15 минут, если нанять 60 работников – за 1 минуту, а если нанять 3600, то вообще за секунду, но ведь на деле это неверно. Работники будут только мешать друг другу, толкаться, отнимать друг у друга детали, и

процесс сборки шкафа может затянуться очень надолго.

Так же и с потоками. Чем больше потоков, тем выше вероятность, что они будут мешать друг другу выполнять свою работу. Например, если заставить работать огромное количество потоков с одними и теми же данными, потокам придётся выстраиваться в очередь для их обработки

(например, если тем же 3600 рабочим дать какое-либо письменное задание, но предоставить им для этого дела всего одну ручку, то работникам, естественно,

придётся становиться друг за другом в очередь за ручкой, чтобы после её получения выполнить поставленную задачу. Времени это займёт довольно много).

2

Потоки надо распределять с умом и исключительно в случаях, когда это действительно необходимо для ускорения работы программы либо для повышения производительности.

§18.1.3 Процессы

Потоки в Windows принадлежат процессам. Процесс — это исполнение программы. Операционная система использует процессы для разделения исполняемых приложений.

Программа на C# запускается в единственном потоке, однако процессу может принадлежать множество потоков. Эти потоки могут выполняться одновременно на многопроцессорных системах, что значительно увеличивает производительность программы. В однопроцессорных системах потоки выполняются последовательно, получая по очереди кванты времени (20 мс),

однако даже такое выполнение в некоторых случаях приводит к увеличению производительности программы.

§18.1.4 Классификация потоков в среде .NET Framework

Язык C# имеет встроенную поддержку многопоточности, а среда .NET Framework предоставляет сразу несколько классов для работы с потоками, что в совокупности помогает реализовывать и настраивать многопоточность в проектах.

В среде .NET Framework существует два типа потоков: основной и фоновый (вспомогательный). Фоновые потоки отличаются от основных только в одном аспекте: если первым завершится основной поток, то фоновые потоки в его процессе будут также принудительно остановлены, если же первым завершится фоновый поток, то это не повлияет на остановку основного потока – тот будет продолжать функционировать до тех пор, пока не выполнит всю работу и самостоятельно не остановится.

§18.1.5 Цели применения нескольких потоков

Использовать несколько потоков необходимо, чтобы увеличить скорость реагирования приложения и воспользоваться преимуществами

3

многопроцессорной или многоядерной системы, чтобы увеличить пропускную способность приложения.

Представьте себе классическое приложение, в котором основной поток отвечает за элементы пользовательского интерфейса и реагирует на действия пользователя. Используйте рабочие потоки для выполнения длительных операций, которые, в противном случае будут занимать основной поток, в

результате чего пользовательский интерфейс будет недоступен. Для более оперативной реакции на входящие сообщения или события также можно использовать выделенный поток связи с сетью или устройством.

Если программа выполняет операции, которые могут выполняться параллельно, можно уменьшить общее время выполнения путем выполнения этих операций в отдельных потоках и запуска программы в многопроцессорной или многоядерной системе. В такой системе использование многопоточности может увеличить пропускную способность, а

также повысить скорость реагирования.

§18.2 Реализация потоков

§18.2.1 Класс Thread

Основной функционал для использования потоков в приложении сосредоточен в пространстве имен System.Threading. В нем определен класс, представляющий отдельный поток - класс Thread.

Класс Thread определяет ряд методов и свойств, которые позволяют управлять потоком и получать информацию о нем.

Основные свойства класса Thread описаны в таблице 18.1.

4

1https://docs.microsoft.com/ru-ru/dotnet/api/system.threading.threadpriority?view=net-5.0

2https://docs.microsoft.com/ru-ru/dotnet/api/system.threading.threadstate?view=net-5.0

3https://docs.microsoft.com/ru-ru/dotnet/api/system.threading.thread.sleep?view=net-5.0

5