C# 多執行緒入門：Thread 基礎操作、UI 同步、集合執行緒安全

前言

多執行緒讓程式能「同時」處理多項工作。C# 提供 System.Threading.Thread 類別直接控制作業系統執行緒。本文從建立執行緒、傳遞參數、同步化存取共享資料、安全更新 UI 控制項，逐步建立正確觀念。

基本建立與啟動

using System.Threading;

Thread t = new Thread(DoWork); // 參數為 ThreadStart 委派 (無參數、無回傳)
t.Start(); // 啟動執行緒，DoWork 開始在新執行緒執行

// 帶參數版本：ParameterizedThreadStart (單一 object 參數)
Thread t2 = new Thread(DoWorkWithParam);
t2.Start(42); // 傳遞參數

void DoWork() { /* ... */ }
void DoWorkWithParam(object obj) { int param = (int)obj; /* ... */ }

執行緒屬性與控制

共享資料與同步化

問題：競爭條件

int counter = 0;
for (int i = 0; i < 10; i++)
    new Thread(() => { for (int j = 0; j < 10000; j++) counter++; }).Start();
// 預期 100,000，實際常少於此，因 counter++ 非原子操作

解決方案比較

正確使用 lock 範例

private readonly object _lock = new();
private int _counter = 0;

public void Increment()
{
    lock (_lock) // 僅鎖定私有唯讀物件，避免死結
    {
        _counter++;
        // 關鍵區段盡量短，避免呼叫外部方法/IO
    }
}

安全更新 UI 控制項 (WinForms)

Windows Forms 控制項**非執行緒安全**，必須在建立它們的執行緒 (UI 執行緒) 存取。

檢查與切換

// 在背景執行緒中
if (this.InvokeRequired) // 或 listView1.InvokeRequired
{
    // 切換到 UI 執行緒執行委派 (同步阻塞)
    this.Invoke(new Action(() => 
    {
        listView1.Items.Add(new ListViewItem(new[] { "項目", "值" }));
    }));
}
else
{
    // 已在 UI 執行緒，直接存取
    listView1.Items.Add(...);
}

BeginInvoke (非同步、不阻塞背景執行緒)

this.BeginInvoke(new Action(() => 
{
    progressBar1.Value = percent;
    labelStatus.Text = $"處理中... {percent}%";
}));
// 背景執行緒繼續跑，不等待 UI 更新完成

完整範例：可新增/刪除/清空的背景計數器列表

public partial class MainForm : Form
{
    private readonly List _threads = new();
    private readonly List _counters = new();
    private readonly object _sync = new();

    public MainForm()
    {
        InitializeComponent();
        listView1.View = View.Details;
        listView1.Columns.Add("執行緒 ID", 80);
        listView1.Columns.Add("計數值", 100);
        listView1.FullRowSelect = true;
        listView1.GridLines = true;
    }

    private void btnAdd_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        lock (_sync)
        {
            int id = _threads.Count;
            _counters.Add(0);
            
            var t = new Thread(Worker) { IsBackground = true, Name = $"Worker-{id}" };
            _threads.Add(t);
            
            // UI 更新必須在 UI 執行緒
            if (InvokeRequired)
                Invoke(new Action(() => AddListViewItem(id)));
            else
                AddListViewItem(id);
            
            t.Start(id); // 傳遞索引作為參數
        }
    }

    private void AddListViewItem(int index)
    {
        listView1.Items.Insert(index, new ListViewItem(new[] { index.ToString(), "0" }));
    }

    private void Worker(object state)
    {
        int index = (int)state;
        for (int i = 1; ; i++)
        {
            Thread.Sleep(100);
            
            lock (_sync)
            {
                if (index >= _counters.Count) break; // 已被刪除
                _counters[index] = i;
            }
            
            // 回報進度到 UI
            if (IsDisposed || !IsHandleCreated) break; // 表單已關閉
            BeginInvoke(new Action(() => 
            {
                if (index < listView1.Items.Count)
                    listView1.Items[index].SubItems[1].Text = i.ToString();
            }));
        }
    }

    private void btnDelete_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        lock (_sync)
        {
            int last = _threads.Count - 1;
            if (last < 0) return;
            
            var t = _threads[last];
            if (t.IsAlive) 
            {
                // 協作式取消：這裡簡單用 Abort 示範 (不推薦生產環境)
                // 正確做法：共享 CancellationToken 或 bool 旗標讓 Worker 迴圈檢查退出
                t.Abort(); 
            }
            _threads.RemoveAt(last);
            _counters.RemoveAt(last);
            
            if (InvokeRequired)
                Invoke(new Action(() => listView1.Items.RemoveAt(last)));
            else
                listView1.Items.RemoveAt(last);
        }
    }

    private void btnClear_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        lock (_sync)
        {
            foreach (var t in _threads)
                if (t.IsAlive) t.Abort();
            _threads.Clear();
            _counters.Clear();
            
            if (InvokeRequired)
                Invoke(new Action(() => listView1.Items.Clear()));
            else
                listView1.Items.Clear();
        }
    }

    protected override void OnFormClosing(FormClosingEventArgs e)
    {
        btnClear_Click(null, EventArgs.Empty); // 確保所有執行緒結束
        base.OnFormClosing(e);
    }
}

常見陷阱檢核表

• [ ] 共享變數是否用 lock/Interlocked/Concurrent* 保護？
• [ ] UI 控制項存取前是否檢查 InvokeRequired？
• [ ] 是否避免在 lock 區塊內呼叫耗時/阻塞/外部方法？
• [ ] 是否使用 IsBackground = true 避免主視窗關閉後程式殘留？
• [ ] 是否避免使用 Thread.Abort()、Thread.Suspend()、Thread.Resume()？
• [ ] 表單關閉時是否通知背景執行緒優雅結束 (旗標/CancellationToken)？
• [ ] 迴圈中是否檢查 IsDisposed/IsHandleCreated 避免存取已銷毀控制項？

進階學習路徑

1. Task Parallel Library (TPL)：Task.Run, Parallel.For, PLINQ
2. async/await：非同步程式設計、IProgress<T>, CancellationToken
3. 資料流：System.Threading.Channels, BlockingCollection, Dataflow (TPL Dataflow)
4. 非同步 UI 框架：WPF Dispatcher, WinUI 3, MAUI, Blazor