آشنایی با فضای نام System.Threading

کار با Thread ها در زبان سی شارپ – آشنایی با فضای نام System.Threading و کلاس Thread

تا اینجا متوجه شدیم که چگونه می توان با کمک Delegate ها کدها را در یک Thread جداگانه و به صورت Asynchrnonous اجرا کرد. در ادامه مباحث مرتبط با برنامه نویسی Asynchronous به سراغ فضای نام System.Threading می رویم. این فضای نام شامل یکسری کلاس است که روند نوشتن برنامه Multi-Threaded را آسان می کند. کلاس های زیادی در این فضای نام وجود دارد که هر یک استفاده خاص خودش را دارد. در زیر با توضیح اولیه برخی از کلاس های این فضای نام آشنا می شویم:

1. Interlocked: از این کلاس برای اجرای عملیات های atomic یا Atomic Operations بر روی متغیرهایی که در بین چندین Thread به اشتراک گذاشته شدند استفاده می شود.
2. Monitor: از این کلاس برای پیاده سازی Synchronization بر روی اشیاء ای که Thread به آن دسترسی دارند استفاده می شود. در سی شارپ کلمه کلیدی lock در پشت زمینه از مکانیزم Monitor برای Synchronization استفاده می کنید که در بخش های بعدی با این تکنیک بیشتر آشنا می شویم.
3. Mutex: از این کلاس برای اعمال Synchronization بین AppDomain ها استفاده می شود.
4. ParameterizedThreadStart: این delegate به thread ها این اجازه را می دهد تا متدهایی پارامتر ورودی دارند را فراخوانی کند.
5. Semaphor: از این کلاس برای محدود کردن تعداد Thread هایی که می توانند به یک Resource دسترسی داشته باشند استفاده می شود.
6. Thread: به ازای هر Thread ایجاد شده برای برنامه باید یک کلاس از نوع Thread ایجاد کرد. در حقیقت کلاس Thread نقش اصلی را در ایجاد و استفاده از Thread ها دارد.
7. ThreadPool: بوسیله این کلاس می توان به Thread-Pool مدیریت شده توسط خود CLR دسترسی داشت.
8. ThreadPriority: بوسیله این enum می توان درجه اهمیت یک Thread را مشخص می کند.
9. ThreadStart: از این delegate برای مشخص کردن متدی که در Thread باید اجرا شود استفاده می شود. این delegate بر خلاف ParameterizedThreadStart پارامتری قبول نمیکند.
10. ThreadState: بوسیله این enum می توان وضعیت جاری یک thread را مشخص کرد.
11. Timer: بوسیله کلاس Timer می توان مکانیزمی پیاده کرد که کدهای مورد نظر در بازه های زمانی خاص، مثلاً هر 5 ثانیه یکبار و در یک Thread مجزا اجرا شوند.
12. TimerCallBack: از این delegate برای مشخص کردن کدی که داخل timer باید اجرا شود استفاده می شود.

کلاس System.Threading.Thread

کلاس Thread اصلی ترین کلاس موجود در فضای نام System.Threading است. از یک کلاس برای دسترسی به Thread هایی که در روند اجرای یک AppDomain ایجاد شده اند استفاده می شود. همچنین بوسیله این کلاس می تواند Thread های جدید را نیز ایجاد کرد. کلاس Thread شامل یکسری متد و خصوصیت است که در این قسمت می خواهیم با آن ها آشنا شویم. ابتدا به سراغ خصوصیت CurrentThread که یک خصوصیت static در کلاس Thread است می رویم. بوسیله این خصوصیت می توان اطلاعات Thread جاری را بدست آورد. برای مثال در صورتی که در متد Main از این خصوصیت استفاده شود می توان به اطلاعات مربوط به Thread اصلی برنامه دسترسی داشت یا اگر برای یک متد Thread جداگانه ای ایجاد شود، در صورت استفاده از این خصوصیت در بدنه متد به اطلاعات Thread ایجاد شده دسترسی خواهیم داشت. در ابتدا با یک مثال می خواهیم اطلاعات Thread اصلی برنامه را بدست آوریم:

var primaryThread = Thread.CurrentThread;
primaryThread.Name = "PrimaryThread";
Console.WriteLine("Thread Name: {0}", primaryThread.Name);
Console.WriteLine("Thread AppDomain: {0}", Thread.GetDomain().FriendlyName);
Console.WriteLine("Thread Context Id: {0}", Thread.CurrentContext.ContextID);
Console.WriteLine("Thread Statred: {0}", primaryThread.IsAlive);
Console.WriteLine("Thread Priority: {0}", primaryThread.Priority);
Console.WriteLine("Thread State: {0}", primaryThread.ThreadState);

دقت کنید در ابتدا با به Thread یک نام دادیم. در صورتی که نامی برای Thread انتخاب نشود خصوصیت Name مقدار خالی بر میگرداند. مهمترین مزیت تخصیص نام برای Thread راحت تر کردن امکان debug کردن کد است. در Visual Studio پنجره ای وجود دارد به نام Threads که می توانید در زمان اجرای برنامه از طریق منوی Debug->Windows->Threads به آن دسترسی داشته باشید. در تصویر زیر نمونه ای از این پنجره را در زمان اجرا مشاهده می کنید:

اما بریم سراغ موضوع اصلی، یعنی ایجاد Thread و اجرای آن. در ابتدا در مورد مراحل ایجاد یک Thread صحبت کنیم، معمولاً برای ایجاد یک Thread مراحل زیر را باید انجام دهیم:

1. در ابتدا باید متدی ایجاد کنیم که وظیفه آن انجام کاری است که قرار است در یک Thread جداگانه انجام شود.
2. در مرحله بعد باید یکی از delegate های ParameterizedThreadStart برای متدهایی که پارامتر ورودی دارند یا ThreadStart برای متدهای بدون پارامتر را انتخاب کرده و یک شئ از آن ایجاد کنیم که به عنوان سازنده متد مورد نظر به آن پاس داده می شود.
3. از روی کلاس Thread یک شئ جدید ایجاد کرده و به عنوان سازنده شئ ای که از روی delegate های گفته شده در مرحله 2 ساختیم را به آن ارسال کنیم.
4. اطلاعات و تنظیمات اولیه مورد نظر برای Thread مانند Name یا Priority را برای آن ست کنیم.
5. متد Start را در کلاس Thread را برای شروع کار Thread فراخوانی کنیم. با این کار متدی که در مرحله 2 مشخص کردیم در یک Thread جداگانه اجرا می شود.

دقت کنید در مرحله 2 می بایست بر اساس signature متدی که قصد اجرای آن در thread جداگانه را داریم، delegate مناسب انتخاب شود. همچنین ParameterizedThreadStart پارامتری که به عنوان ورودی قبول می کند از نوع Object است، یعنی اگر می خواهید چندین پارامتر به آن ارسال کنید می بایست حتماً یک کلاس یا struct ایجاد کرده و آن را به عنوان ورودی به کلاس Start ارسال کنید. با یک مثال ساده که از ThreadStart برای اجرای Thread استفاده می کند شروع می کنیم:

static void Main(string[] args)
{
    ThreadStart threadStart = new ThreadStart(PrintNumbers);
    Thread thread = new Thread(threadStart);
    thread.Name = "PrintNumbersThread";
    thread.Start();
    while (thread.IsAlive)
    {
        Console.WriteLine("Running in primary thread...");
        Thread.Sleep(2000);
    }
    Console.WriteLine("All done.");
    Console.ReadKey();
}

public static void PrintNumbers()
{
    for (int counter = 0; counter < 10; counter++)
    {
        Console.WriteLine("Running from thread: {0}", counter + 1);
        Thread.Sleep(500);
    }
}

در ابتدا متدی تعریف کردیم با نام PrintNumbers که قرار است در یک Thread مجزا اجرا شود. همانطور که مشاهده می کنید این متد نه پارامتر ورودی دارد و نه مقدار خروجی، پس از ThreadStart استفاده می کنیم. بعد از ایجاد شئ از روی ThreadStart و ایجاد Thread، نام Thread را مشخص کرده و متد Start را فراخوانی کردیم. به حلقه while ایجاد شده دقت کنید، در این حلقه بوسیله خصوصیت IsAlive گفتیم تا زمانی که Thread ایجاد شده در حال اجرا است کد داخل while اجرا شود. همچنین بوسیله متد Sleep در متد Main و متد PrintNumbers در عملیات اجرا برای Thread های مربوط به متد تاخیر ایجاد کردیم. بعد اجرای کد بالا خروجی زیر نمایش داده می شود:

Running in primary thread...
Running from thread: 1
Running from thread: 2
Running from thread: 3
Running from thread: 4
Running in primary thread...
Running from thread: 5
Running from thread: 6
Running from thread: 7
Running from thread: 8
Running in primary thread...
Running from thread: 9
Running from thread: 10
All done.

در قدم بعدی فرض کنید که قصد داریم بازه اعدادی که قرار است در خروجی چاپ شود را به عنوان پارامتر ورودی مشخص کنیم، در اینجا ابتدا یک کلاس به صورت زیر تعریف می کنیم:

public class PrintNumberParameters
{
    public int Start { get; set; }
    public int Finish { get; set; }
}

در قدم بعدی کلاس PrintNumbers را به صورت زیر تغییر می دهیم:

public static void PrintNumbers(object data)
{
    PrintNumberParameters parameters = (PrintNumberParameters) data;
    for (int counter = parameters.Start; counter < parameters.Finish; counter++)
    {
        Console.WriteLine("Running from thread: {0}", counter);
        Thread.Sleep(500);
    }
}

همانطور که مشاهده می کنید، پارامتر ورودی PrintNumbers از نوع object است و در بدنه ورودی را به کلاس PrintNumberParameters تبدیل کرده و از آن استفاده کردیم. در مرحله بعد متد Main را باید تغییر داده و به جای ThreadStart از ParameterizedThreadStart استفاده کنیم، همچنین به عنوان پارامتر ورودی برای متد Start شئ ای از PrintNumberParameters ایجاد کرده و با عنوان پارامتر به آن ارسال می کنیم:

ParameterizedThreadStart threadStart = new ParameterizedThreadStart(PrintNumbers);
Thread thread = new Thread(threadStart);
thread.Name = "PrintNumbersThread";
thread.Start(new PrintNumberParameters() {Start = 5, Finish = 13});
while (thread.IsAlive)
{
    Console.WriteLine("Running in primary thread...");
    Thread.Sleep(2000);
}
Console.WriteLine("All done.");
Console.ReadKey();

با اعمال تغییرات ذکر شده و اجرای کد، اعداد بر اساس بازه مشخص شده در خروجی چاپ می شوند. در این قسمت از مطلب مربوط به Thread ها با نحوه ایجاد و استفاده از Thread ها آشنا شدیم. در قسمت های بعدی به مباحث دیگری در مورد Thread ها خواهیم پرداخت.

منبع

قسمت اول آموزش-برنامه نویسی Asynchronous – آشنایی با Process ها، Thread ها و AppDomain ها

قسمت دوم آموزش- آشنایی با ماهیت Asynchronous در Delegate ها

قسمت سوم آموزش-آشنایی با فضای نام System.Threading و کلاس Thread

قسمت چهارم آموزش- آشنایی با Thread های Foreground و Background در دات نت

قسمت پنجم آموزش- آشنایی با مشکل Concurrency در برنامه های Multi-Threaded و راهکار های رفع این مشکل

قسمت ششم آموزش- آشنایی با کلاس Timer در زبان سی شارپ

قسمت هفتم آموزش-آشنایی با CLR ThreadPool در دات نت

قسمت هشتم آموزش- مقدمه ای بر Task Parallel Library و کلاس Parallel در دات نت

قسمت نهم آموزش- برنامه نویسی Parallel:آشنایی با کلاس Task در سی شارپ

قسمت دهم آموزش-برنامه نویسی Parallel در سی شارپ :: متوقف کردن Task ها در سی شارپ – کلاس CancellationToken

قسمت یازدهم آموزش- برنامه نویسی Parallel در سی شارپ :: کوئری های Parallel در LINQ

قسمت دوازدهم آموزش- آشنایی با کلمات کلیدی async و await در زبان سی شارپ

قسمت سیزدهم آموزش- استفاده از متد WhenAll برای اجرای چندین Task به صورت همزمان در سی شارپ