C# 多线程 & 异步编程知识体系整理

C# 多线程 & 异步编程知识体系整理

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一、基础概念
1.1 线程（Thread）

• 定义
  ▸ 操作系统独立运行的最小单位，程序中并发执行的指令序列
  ▸ 隶属于进程，共享进程资源（内存、文件句柄等）
  ▸ 每个进程至少包含一个主线程

1.2 多线程意义

• 适用场景
  ▸ 批量重复任务并行处理（如数组元素耗时操作）
  ▸ 多任务独立运行（后台轮询、实时监控等）

1.3 线程池（ThreadPool）

• 核心特性
  ▸ 预创建可复用线程集合
  ▸ 减少线程创建/销毁开销
  ▸ 异步操作默认使用线程池

1.4 线程安全

• 关键机制

  - 同步机制：协调线程执行顺序（锁/Monitor/Semaphore）
  - 原子操作：不可中断的指令单元（Interlocked类）
  

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二、线程操作详解
2.1 线程生命周期

操作类型	方法/特性	注意事项
创建	new Thread(ThreadStart) + Start()	可配置后台线程/优先级
终止	▶ Join()：阻塞等待结束 ▶ Interrupt()：抛出ThreadInterruptedException	禁用Abort()（引发平台异常）
挂起/恢复	▶ 旧版Suspend()/Resume()已废弃 ▶ 改用信号量/锁机制	避免不可控状态切换

2.2 并发控制工具

• 传统锁机制

  lock (obj) { ... }           // 语法糖→Monitor.Enter/Exit
  Mutex.WaitOne()/ReleaseMutex() // 跨进程锁 
  

• 轻量级同步
  ▸ SemaphoreSlim（异步友好）
  ▸ ManualResetEventSlim（状态标记）

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三、异步编程核心
3.1 异步范式

• Task核心模型

  - 状态容器：运行中/完成/结果/异常 
  - ValueTask：值类型优化版本 
  - 默认使用线程池，不阻塞调用线程
  

• 方法声明

  async Task<T> GetDataAsync() { 
      await Task.Delay(100); 
      return default; 
  }
  

  ▸ 避免async void（无法捕获异常）

3.2 异步控制流

• 取消机制

  var cts = new CancellationTokenSource();
  await Task.Run(() => { 
      cts.Token.ThrowIfCancellationRequested();
  }, cts.Token);
  

• 超时处理

  // .NET 6+ 方案
  await httpClient.GetAsync(url).WaitAsync(TimeSpan.FromSeconds(30));
  

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四、同步机制与并发控制
4.1 线程安全组件

• 内置工具库

  1. 并发集合：ConcurrentQueue/ConcurrentDictionary
  2. 阻塞集合：BlockingCollection（生产者-消费者模式）
  3. 通道：Channel（高性能数据管道）
  

4.2 异步锁策略

• 推荐方案

  // 使用SemaphoreSlim实现异步锁 
  private readonly SemaphoreSlim _semaphore = new(1, 1);
  async Task CriticalSectionAsync() {
      await _semaphore.WaitAsync();
      try { /* 操作共享资源 */ }
      finally { _semaphore.Release(); }
  }
  

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五、常见误区解析
5.1 认知澄清

误区描述	正解
“异步等于多线程”	单线程也可异步（如JS事件循环）
“Task.Result总会阻塞”	已完成的任务可直接获取结果
“await必定切换线程”	若任务已完则延续在原线程执行（ConfigureAwait配置）

5.2 开发禁忌

• ▸ 禁止在异步方法中使用Thread.Sleep
• ▸ 避免混用Task.Wait()与async/await
• ▸ 异步方法必须包含CancellationToken参数

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六、扩展工具与模式

- 周期性任务：`PeriodicTimer`（.NET 6+）
- 异步流处理：`IAsyncEnumerable`
- 资源回收：`IAsyncDisposable`接口
- 第三方库：  
  ▶ Nito.AsyncEx（AsyncLock）  
  ▶ Microsoft.VisualStudio.Threading（AsyncManualResetEvent）

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附录：核心API速查表

类别	关键API
并行计算	Parallel.For/ForEach + PLINQ.AsParallel()
任务控制	Task.WhenAll/WhenAny + TaskCompletionSource
原子操作	Interlocked.Increment/CompareExchange
时间控制	Task.Delay（异步） vs Thread.Sleep（同步）