- 正确答案：C# 中的多线程编程是通过 .NET 提供的线程模型来实现的，主要包括 Thread 类、ThreadPool、Task 并行库（TPL）、async/await 异步模型以及并发集合等机制。多线程用于提升程序性能，充分利用 CPU 资源，处理并发任务，如 I/O 操作、计算密集型任务等。 - 解答思路：面试中关于“C# 多线程”的问题通常考察候选人对并发编程的理解程度，包括基本线程创建、线程同步、资源竞争、死锁预防、异步编程模型等。回答应从以下几个层面展开： 1. 基本线程操作（Thread 类） 2. 线程池与任务并行库（Task） 3. 异步编程（async/await） 4. 线程安全与同步机制 5. 实际应用场景和常见问题回答时需结合代码示例说明，并指出各种方式的适用场景和优缺点。 - 深度知识讲解： 1. Thread 类（最基础的线程控制） Thread 是 System.Threading 命名空间下的类，表示操作系统级别的线程。每个 Thread 对象对应一个实际的线程。示例： ``` using System; using System.Threading; class Program { static void PrintNumbers() { for (int i = 0; i < 5; i++) { Console.WriteLine($"Thread ID: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}, Number: {i}"); Thread.Sleep(100); // 模拟工作 } } static void Main() { Thread t = new Thread(new ThreadStart(PrintNumbers)); t.Start(); PrintNumbers(); // 主线程也执行 t.Join(); // 等待子线程完成 } } ``` 注意点： - Thread 是重量级对象，频繁创建销毁开销大。 - 可以设置 IsBackground 属性决定是否随主线程退出而终止。 - 不推荐直接使用 Thread 创建大量线程，应使用线程池或 Task。 2. 线程池 ThreadPool ThreadPool 提供一组预先创建的线程，避免频繁创建/销毁线程的开销。适合短小任务。示例： ``` ThreadPool.QueueUserWorkItem(state => { Console.WriteLine("Running on thread pool thread."); }); ``` 优点：轻量、高效；缺点：无法控制执行顺序，不能获取返回值（除非配合其他机制）。 3. Task 并行库（TPL）——推荐方式 Task 是基于线程池的高级抽象，支持返回值、异常传播、延续操作（ContinueWith）、组合（WhenAll, WhenAny）等。示例： ``` Task task = Task.Run(() => { int sum = 0; for (int i = 0; i < 1000; i++) sum += i; return sum; }); int result = await task; // 或 task.Result Console.WriteLine("Sum: " + result); ``` Task 内部使用线程池，但提供了更丰富的 API 和更好的可管理性。 4. async/await 异步编程模型 async/await 是语法糖，用于编写非阻塞异步代码，特别适用于 I/O 密集型操作（如文件读写、网络请求），避免线程阻塞。示例： ``` static async Task DownloadDataAsync() { using (HttpClient client = new HttpClient()) { string data = await client.GetStringAsync("https://example.com"); Console.WriteLine($"Downloaded: {data.Length} chars"); } } ``` 关键点： - await 不会阻塞线程，而是将控制权交还给调用者。 - 在 UI 应用中防止界面冻结。 - async 方法必须有至少一个 await，否则会同步执行。 - 返回类型通常是 Task 或 Task。 5. 线程安全与同步机制多个线程访问共享资源时可能引发竞态条件（Race Condition）。需要使用同步机制保护临界区。常见同步原语：（1）lock 关键字（基于 Monitor） ``` private static readonly object lockObj = new object(); lock (lockObj) { // 临界区 sharedValue++; } ``` lock 是 C# 中最常用的互斥机制，本质是 Monitor.Enter 和 Monitor.Exit 的语法糖。（2）Monitor 类（更灵活的锁控制） ``` Monitor.Enter(lockObj); try { sharedValue++; } finally { Monitor.Exit(lockObj); } ``` （3）Mutex（跨进程互斥）比 lock 更重，可用于进程间同步。（4）Semaphore/SemaphoreSlim 限制同时访问资源的线程数量。 ``` SemaphoreSlim sem = new SemaphoreSlim(2, 2); // 最多2个线程进入 await sem.WaitAsync(); try { // 访问资源 } finally { sem.Release(); } ``` （5）ReaderWriterLockSlim 允许多个读线程或单个写线程访问，适合读多写少场景。 6. 数据竞争与原子操作对于简单类型的操作（如 int++），看似一行代码，实则包含读、改、写三步，不是原子的。解决方案： - 使用 lock - 使用 Interlocked 类进行原子操作 ``` Interlocked.Increment(ref sharedCounter); Interlocked.Exchange(ref value, newValue); Interlocked.CompareExchange(ref location, newValue, comparand); // CAS ``` 7. 并发集合 System.Collections.Concurrent 提供线程安全的集合类： - ConcurrentQueue：线程安全队列（FIFO） - ConcurrentStack：线程安全栈（LIFO） - ConcurrentBag：无序线程安全集合，适合局部缓存 - ConcurrentDictionary：线程安全字典这些集合内部使用细粒度锁或无锁算法（如 CAS）提高并发性能。示例： ``` ConcurrentDictionary dict = new ConcurrentDictionary(); dict.TryAdd("key1", 1); dict.TryGetValue("key1", out int value); ``` 8. Parallel 类（数据并行）用于并行执行循环： ``` Parallel.For(0, 100, i => { Console.WriteLine($"Processing {i} on thread {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}"); }); ``` 底层使用分区器（Partitioner）将数据分块并行处理。 9. 死锁与避免死锁四个必要条件：互斥、持有并等待、不可抢占、循环等待。避免方法： - 按固定顺序加锁 - 使用超时：Monitor.TryEnter(obj, timeout) - 尽量减少锁的范围 10. 异常处理在线程中抛出的异常如果不捕获，会导致整个应用程序崩溃（在 .NET Core 中默认不会，但在某些宿主环境中仍危险）。 Task 中的异常会被封装到 AggregateException，可通过 await 自动解包，或手动调用 Wait() + try-catch 捕获。 ``` try { await task; } catch (Exception ex) { // 可以捕获到原始异常 } ``` 扩展知识： - TPL Dataflow：基于消息传递的并行编程模型，适合构建生产者-消费者管道。 - Channels（.NET Core 3.0+）：提供异步生产者-消费者模式的高性能通道。 - async/await 编译原理：编译器将 async 方法转换为状态机（IAsyncStateMachine），通过 MoveNext 分段执行。 - 上下文捕捉（SynchronizationContext）：在 UI 线程中，await 默认会尝试回到原始上下文，可能导致死锁（如错误地使用 Result 或 Wait）。总结： | 特性 | Thread | ThreadPool | Task | async/await | |------------------|----------------|----------------|----------------|--------------------| | 是否推荐 | 否（低级） | 部分 | 是 | 是（I/O 推荐） | | 是否支持返回值 | 否 | 否 | 是 | 是 | | 是否支持 await | 否 | 否 | 是 | 是 | | 适用场景 | 长期运行线程 | 短任务 | 通用任务 | I/O 密集型 | 最佳实践建议： 1. 优先使用 async/await 处理 I/O 操作。 2. CPU 密集型任务使用 Task.Run 包装。 3. 避免在 async 方法中调用 .Result 或 .Wait()，以防死锁。 4. 使用并发集合代替手动锁定普通集合。 5. 锁的粒度要小，作用域要窄。 6. 共享变量考虑使用 volatile 或 Interlocked 保证可见性和原子性。典型面试题延伸： Q：Task.Run 和直接启动新线程有什么区别？ A：Task.Run 使用线程池，避免线程创建开销，且支持 async/await、异常传播、组合等高级功能。 Q：await 后面的代码在哪个线程上执行？ A：取决于 SynchronizationContext。在控制台中通常在线程池线程；在 WinForm/WPF 中会回到 UI 线程。 Q：如何实现一个线程安全的单例模式？ A：可使用静态构造函数（CLR 保证只调用一次）、Lazy，或双重检查锁定配合 volatile。代码示例：双重检查锁定 ``` public class Singleton { private static volatile Singleton instance; private static readonly object lockObj = new object(); private Singleton() { } public static Singleton Instance { get { if (instance == null) { lock (lockObj) { if (instance == null) instance = new Singleton(); } } return instance; } } } ``` 综上所述，C# 多线程是一个多层次体系，从底层 Thread 到高层 async/await，开发者应根据具体场景选择合适的技术方案，并深刻理解其背后的运行机制和潜在风险。

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