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.NET 多執行緒程式設計入門指南

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簡介

多執行緒是建構大型系統時必須重點關注的關鍵技術，尤其在效率（系統跑多快？）與效能（系統運作是否正常？）之間取得平衡時。恰當運用多執行緒能大幅提升系統效能。

什麼是執行緒？

系統上每個正在執行的程式都是一個行程。每個行程包含一到多個執行緒。行程也可以是整個程式或部分程式的動態執行。執行緒是一組指令的集合，或程式的特定區段，能在程式內獨立執行，也可視為程式碼執行的上下文。因此執行緒本質上是輕量級行程，負責在單一程式內實現多工。通常由作業系統負責多執行緒的排程與執行。

什麼是多執行緒？

多執行緒旨在讓多個執行緒並行工作以完成多項任務，提升系統效率。當同一時間需要完成多項任務時，便會實現多執行緒。

使用執行緒的優點

將耗時長的任務放到背景處理，避免阻塞主執行緒。
使用者介面更友善：例如點擊按鈕觸發事件時，可顯示進度條顯示處理進度。
程式執行速度可能加快（多核心環境下）。
在等待型任務（使用者輸入、檔案讀寫、網路收發）中，執行緒能釋放寶貴資源（如記憶體佔用）。

執行緒模型背景（Win32 環境）

單執行緒模型

一個行程僅能有一個執行緒，其餘行程必須等待當前執行緒結束。缺點：完成微小任務也需佔用極長時間。

單執行緒單元模型（STA, Single Threaded Apartment）

一個程式可包含多個執行緒，每個執行緒被劃分為行程內的一個單元。行程可包含多個單元，可共享單元間資料。所有請求透過 Windows 訊息佇列序列化，確保同一時間僅存取一個單元，故同一時間僅有一個執行緒執行。優於單執行緒模型可同時響應多用戶請求，但因序列化導致效能仍非最佳。

多執行緒單元模型（MTA, Multi-threaded Apartment / Free-threaded）

每個行程只有一個單元，但該單元控制多個執行緒。無需訊息佇列，所有執行緒屬於同一單元可直接共享資料。執行速度優於 STA，降低系統負載、減少閒置時間。但程式複雜度較高，開發者需自行提供執行緒同步機制（如鎖）避免競爭條件，且可能導致死結。

.NET 中的多執行緒運作方式

.NET 本質上是多執行緒環境，提倡兩種主要方式：

使用 ThreadStart 建立自有執行緒（手動管理）。
直接（ThreadPool.QueueUserWorkItem）或間接（如 Stream.BeginRead、BeginInvoke）使用執行緒集區（ThreadPool）。

一般建議：長時間執行的任務手動建立新執行緒；短時間、頻繁啟動的任務優先使用執行緒集區。集區可同時執行多項任務、善用框架類別，並在資源稀缺需同步時限制同一時間僅允許單一執行緒存取資源（實現鎖機制）。執行緒基底類別為 System.Threading，所有執行緒透過 CLI 管理。

核心操作

建立執行緒

Thread dummyThread = new Thread(new ThreadStart(DummyFunction));

啟動執行緒

dummyThread.Start();

等待執行緒結束

dummyPriorityThread.Join();

暫停執行緒

dummyPriorityThread.Sleep(<毫秒數>);

中止執行緒

dummyPriorityThread.Abort();

同步機制

常見同步方式包括：

Interlocked 類別：提供原子操作實現鎖機制，如 Interlocked.Increment(ref counter)。
lock 關鍵字：鎖定關鍵程式碼區塊，lock(this) { ... }。
Monitor 類別：Monitor.Enter(this) 等進階控制。

以下範例展示基本同步情境：

using System;
using System.Threading;

namespace SynchronizationThreadsExample
{
    class SynchronizationThreadsExample
    {
        private int counter = 0;
        static void Main()
        {
            var STE = new SynchronizationThreadsExample();
            STE.ThreadFunction();
        }
        public void ThreadFunction()
        {
            Thread dummyThread = new Thread(new ThreadStart(SomeFunction));
            dummyThread.IsBackground = true;
            dummyThread.Name = "First Thread";
            dummyThread.Start();
            Console.WriteLine("Started thread {0}", dummyThread.Name);

            Thread dummyPriorityThread = new Thread(new ThreadStart(SomeFunction));
            dummyPriorityThread.IsBackground = true;
            dummyPriorityThread.Name = "Second Thread";
            dummyPriorityThread.Start();
            Console.WriteLine("Started thread {0}", dummyPriorityThread.Name);

            dummyThread.Join();
            dummyPriorityThread.Join();
        }
        public void SomeFunction()
        {
            try
            {
                while (counter < 10)
                {
                    int tempCounter = counter;
                    tempCounter++;
                    Thread.Sleep(1);
                    counter = tempCounter;
                    Console.WriteLine("Thread {0}. SomeFunction: {1}", Thread.CurrentThread.Name, counter);
                }
            }
            catch (ThreadInterruptedException ex)
            {
                Console.WriteLine("Exception in thread {0}", Thread.CurrentThread.Name);
            }
            finally
            {
                Console.WriteLine("Thread {0} Exiting.", Thread.CurrentThread.Name);
            }
        }
    }
}