1. 線程基礎

1.1 線程簡介

C# 中的線程是操作系統能夠進行運算調度的最小單位，它被包含在進程中，是進程中的實際運作單位。一個進程可以包含多個線程，這些線程可以并發執行不同的任務。

1.2 線程的創建與啟動

在 C# 中，可以使用?System.Threading.Thread?類來創建和管理線程。

創建線程：

Thread thread = new Thread(new ThreadStart(YourMethod));

啟動線程：

thread.Start();

1.3 線程的狀態

線程在其生命周期中會經歷多種狀態，包括新建、就緒、運行、阻塞和死亡等。

1.4 線程的優先級

C# 中的線程具有優先級，可以通過?Thread.Priority?屬性來設置。優先級高的線程更有可能獲得 CPU 時間片。

2. 多線程編程基礎

2.1 線程同步

多線程編程中，由于多個線程可能同時訪問共享資源，因此需要考慮同步問題。C# 提供了多種同步機制。

鎖（Lock）：

object lockObject = new object();
lock (lockObject)
{// 臨界區代碼
}

互斥量（Mutex）：

Mutex mutex = new Mutex();
mutex.WaitOne();
// 臨界區代碼
mutex.ReleaseMutex();

信號量（Semaphore）：

Semaphore semaphore = new Semaphore(1, 1);
semaphore.WaitOne();
// 臨界區代碼
semaphore.Release();

2.2 線程間通信

線程間通信是多線程編程中的重要部分，C# 提供了多種機制來實現線程間的通信。

事件（Event）：

ManualResetEvent event = new ManualResetEvent(false);
event.Set(); // 通知其他線程
event.WaitOne(); // 等待其他線程通知

等待句柄（WaitHandle）：

AutoResetEvent waitHandle = new AutoResetEvent(false);
waitHandle.Set(); // 通知其他線程
waitHandle.WaitOne(); // 等待其他線程通知

2.3 線程池

線程池是一種多線程處理形式，處理過程中將任務添加到隊列，然后在后臺以異步方式執行任務。

使用線程池：

ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(YourMethod));

2.4 異步編程

C# 提供了異步編程模型（Async/Await），可以簡化異步操作的編寫。

異步方法：

public async Task<int> YourAsyncMethod()
{// 異步操作var result = await SomeAsyncOperation();return result;
}

3. 高級線程管理

3.1 并行類庫（TPL）

.NET Framework 4 引入了任務并行庫（Task Parallel Library, TPL），用于簡化并行編程。

創建任務：

Task task = new Task(YourMethod);
task.Start();

等待任務完成：

Task.WaitAll(task1, task2);

并行循環：

Parallel.For(0, 100, i => 
{// 并行執行的代碼
});

3.2 并行 LINQ（PLINQ）

PLINQ 是對 LINQ to Objects 的并行實現，可以顯著提高數據處理的性能。

PLINQ 查詢：

var query = from num in numbers.AsParallel()where num % 2 == 0select num;

3.3 同步上下文（SynchronizationContext）

同步上下文用于確保在正確的線程上執行回調。

獲取當前同步上下文：

SynchronizationContext context = SynchronizationContext.Current;

發布到同步上下文：

context.Post(state => 
{// 在正確的線程上執行的代碼
}, state);

4. 線程安全集合

4.1 線程安全集合類

C# 提供了一些線程安全的集合類，可以在多線程環境下安全地使用。

線程安全字典（ConcurrentDictionary）：

ConcurrentDictionary<int, string> dict = new ConcurrentDictionary<int, string>();
dict.TryAdd(1, "Value1");
string value;
dict.TryGetValue(1, out value);

線程安全隊列（ConcurrentQueue）：

ConcurrentQueue<int> queue = new ConcurrentQueue<int>();
queue.Enqueue(1);
int item;
queue.TryDequeue(out item);

4.2 不可變集合

不可變集合是一旦創建就不能修改的集合，可以安全地在多線程間共享。

創建不可變集合：

ImmutableList<int> list = ImmutableList.Create(1, 2, 3);

5. 性能監控與調試

5.1 性能監控

使用性能監控工具可以幫助診斷多線程程序中的性能瓶頸。

性能計數器：

PerformanceCounter counter = new PerformanceCounter("Category", "Counter");
counter.NextValue();

5.2 調試技巧

調試多線程程序需要特殊的技巧和工具。

使用 Visual Studio 調試器：

• 斷點
• 并行堆棧窗口
• 并行任務窗口

日志記錄：

using (var writer = new StreamWriter("log.txt", true))
{writer.WriteLine("Thread {0} is executing.", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
}

6. 最佳實踐與常見問題

6.1 最佳實踐

• 盡量使用線程池來管理線程
• 避免過度同步
• 使用異步編程模型來提高響應性和性能

6.2 常見問題

• 死鎖
• 競態條件
• 線程饑餓

通過遵循最佳實踐和了解常見問題，可以編寫出高效、穩定的多線程程序。

以上是 C# 多線程并發編程的基礎內容，通過掌握這些基本概念和技巧，可以開始編寫高效的多線程應用程序。