C# – Cơ bản về Thread

Thread hay còn gọi là tiểu trình là khái niệm khá quen thuộc trong lập trình. Thread cho phép chương trình thực hiện đồng thời nhiều tác vụ, và giúp quá trình tương tác với người dùng không bị gián đoạn, lập trình song song và là kĩ thuật không thể thiếu trong các ứng dụng về mạng. Trong bài này, bạn sẽ được giới thiệu cơ bản về cách làm việc với thread cũng như kĩ thuật đồng bộ hóa và hiện tượng deadlock.

Bạn không nên nhầm lẫn giữa process (tiến trình) và thread (tiểu trình). Process có thể hiểu là một instance của chương trình máy tính được thực thi, dựa trên hệ điều hành, hoàn toàn độc lập với các tiến trình khác. Còn thread là một nhóm lệnh được tạo ra để thực thi một tác vụ trong một process, chúng chia sẻ chung dữ liệu với nhau để xử lý, điều này là cần thiết nhưng cũng là nguyên nhân dễ gây ra lỗi nếu bạn không xử lý đúng cách.

Tạo và thực thi thread

.Net cung cấp lớp Thread trong namespace System.Threading cùng với những phương thức cần thiết để giúp lập trình viên sử dụng một cách đơn giản và hiệu quả. Để tạo một thread mới bạn làm theo các bước sau:

–          Tạo phương thức (gọi là phương thức callback) sẽ thực thi ghi thread được gọi: Phương thức này phải không có tham số hoặc chỉ có một tham số là kiểu object và kiểu trả về là void. Bước này có thể bỏ qua vì ta có thể sử dụng sử dụng anonymous method hoặc lambda expression để tạo đoạn mã lệnh thực thi in-line cùng với lệnh khởi tạo thread.

–          Tạo đối tượng Thread và truyền một delegate ThreadStart chứa phương thức sẽ thực thi vào constructor của Thread.

–          Chạy thread: Gọi phương thức Start() của đối tượng thread vừa tạo.

Ta có ví dụ sau:

class Program
{
    static void Main()
    {
        Thread t = new Thread(new ThreadStart(MethodA));
        t.Start();
        MethodB();

    }

    static void MethodA()
    {
        for (int i = 0; i < 100; i++)
            Console.Write("0");
    }
    static void MethodB()
    {
        for (int i = 0; i < 100; i++)
            Console.Write("1");
    }
}

Nhấn Ctrl+F5 để chạy (không dùng debug), ta sẽ có kết quả sau

Output:

00000000000000111111111111111111111111111111111111111111111111111110000000000000

00000000000000000000000000000000000000001111111111111111111111111111111111111111

1111111000000000000000000000000000000000Press any key to continue . . .

Nếu bạn không dùng thread chạy lần lượt 2 phương thức MethodA() và MethodB() thì kết quả in ra sẽ là 100 kí tự ‘1’ và sau đó là 100 kí tự ‘0’. Tuy nhiên như bạn thấy khi dùng thread như ví dụ trên, kết quả in ra sẽ là một chuỗi lẫn lộn ‘1’ và ‘0’, tức là hai phương thức này chạy đồng thời với nhau.

Một cách ngắn gọn hơn, thay vì truyền một đối tượng ThreadStart bạn có thể truyền trực tiếp tên phương thức cần thực thi cho constructor của Thread. Trình biên dịch sẽ tự động tạo ra đối tượng ThreadStart dựa vào phương thức mà bạn truyền vào:

Thread t = new Thread(MethodA);

Lambda expression là một phương pháp hữu ích để viết trực tiếp mã lệnh cần thực thi mà không phải tách riêng ra thành phương thức:

Thread t = new Thread(()=>
{
Console.Write(“Hello”);
});

Truyền tham số cho Thread

ParameteriedThreadStart là một giải pháp thay thế cho ThreadStart trong trường hợp bạn muốn truyền tham số cho thread. Đối tượng delegate ParameteriedThreadStart này chỉ chấp nhận một tham số kiểu object, vì thế trong phương thức callback, bạn cần phải ép kiểu để sử dụng được đúng kiểu dữ liệu của tham số.

namespace ThreadExample
{
    class Student
    {
        public string Name { get; set; }
        public DateTime BirthDay { get; set; }
    }

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            Thread t1 = new Thread(Print);

            t1.Start(new Student() { Name = "Yin", BirthDay = new DateTime(1989, 10, 17) });

            Console.ReadKey();
        }

        static void Print(object obj)
        {
            Student st = (Student)obj;
            Console.Write(st.Name + "\t" + st.BirthDay.ToShortDateString());
        }
    }
}

Output:

Yin     17/10/1989

Phiên bản sử dụng lambda expression với ví dụ trên:

namespace ThreadExample
{
    class Student
    {
        public string Name { get; set; }
        public DateTime BirthDay { get; set; }
    }

    class Program
    {
        static void Main()
        {
            Thread t1 = new Thread((obj) =>
            {
                Student st = (Student)obj;
                Console.Write(st.Name + "\t" + st.BirthDay.ToShortDateString());
            });

            t1.Start(new Student() { Name = "Yin", BirthDay = new DateTime(1989, 10, 17) });

            Console.ReadKey();
        }
    }
}

Property ThreadState và ThreadPriority

ThreadState

Thuộc tính ThreadState cho thấy trạng thái hiện tại của thread. Mỗi một lời gọi phương thức của thread sẽ làm thay đổi giá trị thuộc tính này như Unstarted, Running, Suspended, Stopped,  Aborted,….

ThreadPriority

Thuộc tính này xác định mức độ ưu tiên mà thread sẽ được thực thi so với các thread khác. Mỗi thread khi được tạo ra mang giá trị priority là Normal. Các giá trị mà thuộc tính có thể có bao gồm:  Lowest, BelowNormal, Normal, AboveNormal và Highest.

Các phương thức thông dụng của Thread

–          Abort():  khi phương thức này được gọi, hệ thống sẽ ném ra một ngoại lệ ThreadAbortException để kết thúc thread. Sau khi gọi phương thức này, thuộc tính ThreadState sẽ chuyển sang giá trị Stopped.

–          Suspend(): phương thức này sẽ tạm dừng việc thực thi của Thread vô thời hạn cho đến khi nó được yêu cầu chạy tiếp tục với phương thức Resume(). Tuy nhiên hai phương thức này được gắn attribute Obsolete để khuyến cáo rằng bạn nên sử dụng những phương pháp khác để thay thế. Các kĩ thuật này sẽ được giới thiệu trong một bài khác.

–          Sleep(): để dừng thread hiện tại trong một khoảng thời gian tính bằng milisecond, khi đó thread sẽ chuyển sang trạng thái WaitSleepJoin. Chú ý rằng đây là một phương thức static và bạn không cần tạo đối tượng Thread khi gọi nó, ví dụ: Thread.Sleep(1000). Tôi nhấn mạnh chữ hiện tại tức là tùy vào vị trí mà bạn gọi Thread.Sleep(), mà Thread thực thi dòng lệnh này sẽ bị ảnh hưởng. Nếu như bạn không tạo thêm Thread thì Thread đang thực thi chương trình sẽ bị ảnh hưởng (chương trình sẽ tạm ngừng hoạt động).

Một ví dụ đơn giản để bạn có thể thấy ảnh hưởng của Sleep():

class Program
{
    static void Main()
    {
        Thread t = new Thread(MethodA);
        t.Start();
        MethodB();
    }

    static void MethodA()
    {
        Thread.Sleep(500); // sleep for 500 miliseconds
        for (int i = 0; i < 100; i++)
            Console.Write("0");
    }
    static void MethodB()
    {
        for (int i = 0; i < 100; i++)
            Console.Write("1");
    }
}

Ouput:

11111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111

11111111111111111111000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

0000000000000000000000000000000000000000

–          Join(): đây là một phương thức hữu ích trong trường hợp bạn muốn thực hiện một tác vụ nào đó sau khi thread đã kết thúc. Phương thức này chỉ được dùng sau khi bạn đã chạy Thread. Các tác vụ nằm phía dưới lệnh gọi Join() của một Thread chỉ được thực thi sau khi Thread đó hoàn tất công việc của mình.

Hãy xem ví dụ sau:

class Program
{
    static void Main()
    {
        Thread t1 = new Thread(MethodA);
        Thread t2 = new Thread(MethodB);
        Thread t3 = new Thread(MethodC);

        t1.Start();
        t2.Start();

        t2.Join();

        t3.Start();
    }

    static void MethodA()
    {
        for (int i = 0; i < 100; i++) Console.Write("0");
    }
    static void MethodB()
    {
        for (int i = 0; i < 100; i++) Console.Write("1");
    }
    static void MethodC()
    {
        for (int i = 0; i < 100; i++) Console.Write("2");
    }
}

Output:

00000000000000000000000000000000111111111111111111111111111111111111111111111111

11100000000000000000000000000000000000000000000000000000111111111111111111111111

11111111111111111111111110000000000000002222222222222222222222222222222222222222

222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222

Từ output trên bạn có thể suy ra rằng thread thứ 3 (t3) chỉ được thực thi sau khi t2 và t1 thực thi xong. Tuy nhiên thực tế thì t3 sẽ được thực thi ngay sau khi t2 thực thi xong và không liên quan gì đến t1 bởi vì t1 không gọi phương thức Join(). Để thấy rõ điều này, bạn hãy tăng số lần lặp trong MethodA() lên đủ lớn để thấy rằng t1 và t3 có thể chạy song song với nhau.

Foreground và Background Thread

Ứng dụng phân biệt Thread theo hai loại: Foreground thread và Background thread. Các thread ban đầu được tạo ra đều là foreground. Ứng dụng sẽ vẫn tiếp tục chạy nếu như tất cả các foreground thread chưa chạy xong mặc dù bạn đã thực hiện lệnh tắt ứng dụng. Và nếu tất cả các foreground thread hoàn thành, ứng dụng sẽ tắt, đồng thời tất cả background thread cũng bị “khai tử” theo.

Xét về độ ưu tiên, foreground và background không có sự khác biệt nào trừ phi bạn đặt lại giá trị này cho chúng. Để xác định một Thread là foreground hay background, bạn sử dụng thuộc tính IsBackground. Hãy xem một ví dụ đơn giản sau để thấy được sự khác biệt giữa foreground và background thread:

static void Main(string[] args)
{
    Thread t1 = new Thread(() =>
        {
            Thread.Sleep(1000);
            Console.WriteLine("Thread t1 started");
        });
    // t1.IsBackground = true;
    t1.Start();
    Console.WriteLine("Main thread ending...");
}

Output:

Main thread ending…

Thread t1 started

Trong thread t1 tôi để Sleep(1000) để phương thức Main() có thời gian kết thúc. Và như bạn thấy kết quả xuất ra, thread t1 vẫn tiếp tục chạy mặc dù Main() đã hoàn thành công việc (thread chính đã kết thúc). Bây giờ bạn uncomment dòng t1.IsBackground = true và chạy lại, kết quả sẽ chỉ xuất ra một dòng sau:

Main thread ending…

Background thread ứng dụng rất nhiều để thực hiện các tác vụ nền trong ứng dụng. Ngoài ra, .Net cung cấp lớp BackgroundWorker sử dụng background thread giúp lập trình thread trở nên dễ dàng và được ứng dụng khá phổ biến trong Windows Form.

Thread Pooling

Thread Pooling là một kĩ thuật cho phép bạn sử dụng các thread hiệu quả hơn bằng cách quản lý và phân phối chúng hợp lý, tận dụng tối đa thời gian nhàn rỗi và tăng hiệu suất của chương trình. Thread pooling là một kĩ thuật được áp dụng phổ biến trong các ứng dụng về I/O bất đồng bộ tập tin và truyền tải dữ liệu trên mạng.

Mỗi chương trình được cung cấp một Thread pool khi khởi tạo, vì thế bạn không cần tạo một thể hiện của thread pool để sử dụng. Một đặc điểm của Thread pool là các thread sẽ được đặt ở chế độ background (Background Thread). Các tác vụ khi được thêm vào Thread pool sẽ được thực thi khi có một thread đang ở trạng thái sẵn sàng. Sau khi kết thúc một tác vụ, thread sẽ chuyển về trạng thái sẵn sàng để chờ một công việc khác.

Bạn có thể tưởng tượng thread pool giống như một hàng đợi hay phòng bán vé với mặc định là 25 người làm việc, khi một người hoàn tất công việc bán vé cho khách thì khách hàng tiếp theo sẽ đến bắt đầu một giao dịch mới.

Để sử dụng thread pool, bạn chỉ sử dụng phương thức tĩnh QueueUserWorkItem() của lớp ThreadPool. Phương thức này nhận tham số là một phương thức callback hoặc delegate, có thể dùng overload thứ hai để truyền thêm tham số cho phương thức cần thực thi. Sau khi được truyền vào thread pool, tác vụ đó được đặt vào hàng đợi và sẵn sàng thực thi bất cứ lúc nào có thread ở trạng thái sẵn sàng.

Sau đây là một ví dụ đơn giản về sử dụng Thread Pool:

class ThreadPooling
{

    static void Main()
    {
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(ThreadProc);
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(ThreadProc, 123);
    }

    static void ThreadProc(object data)
    {
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            Console.WriteLine("Thread callback: " + data);
            Thread.Sleep(500);
        }
    }
}

Để cho thấy các 2 tác vụ thêm vào ThreadPool chạy đồng thời, ta làm chậm tốc tộ thực thi bằng cách dùng Sleep().

Bạn có thể thay đổi số thread lớn nhất mà thread pool tạo ra bằng cách sử dụng phương thức ThreadPool.SetMaxThreads(). Trong mỗi phiên bản .Net giá trị mặc định này không giống nhau, ví dụ phiên bản .Net 2.0 thì giá trị này là 25, trong .Net 3.5 là 250. Bạn có thể kiểm tra điều này bằng cách sử dụng phương thức ThreadPool.GetMaxThreads().

Đồng bộ hóa và locking

Vấn đề bảo toàn dữ liệu khi dùng thread là rất quan trọng vì có thể gây ra những sai sót khi nhiều thread cùng thay đổi cùng dữ liệu tại một thời điểm. Vì thế .Net cung cấp một số kĩ thuật để đồng bộ việc truy xuất dữ liệu. Một khi được sử dụng, dữ liệu sẽ bị khóa lại và các thread khác muốn sử dụng phải chờ cho đến khi dữ liệu hay tài nguyên được giải phóng.

.Net cung cấp một số giải pháp cho vấn đề này như Monitor, SpinLock, Mutex, WaitHandle,… Trong khuôn khổ bài viết tôi chỉ giới thiệu phương pháp hay được sử dụng và đơn giản nhất là từ khóa lock:

lock (syncObj)

{

// …

}

Tham số sử dụng cho từ khóa lock phải là một đối tượng có kiểu tham chiếu. Bất kì thread nào sử dụng đối tượng syncObj trên để đồng bộ hóa thông qua lock đều phải chờ cho đến khi đối tượng này được giải phóng. Nếu có nhiều thread cùng chờ, chúng sẽ được đặt trong một danh sách kiểu queue (FIFO – First In First Out) để được xử lý theo thứ tự.

Ta có ví dụ sau:

class ThreadLocking
{
    static int amount = 0;

    static void Main()
    {
        Thread t1 = new Thread(IncreaseAmount);
        Thread t2 = new Thread(DecreaseAmount);

        t1.Start();
        t2.Start();
    }

    static void IncreaseAmount()
    {
        for (int i = 0; i < 100; i++)
        {
            amount++;

            if (amount > 0)
            {
                Thread.Sleep(1);
                Console.Write(amount + "\t");
            }
        }
    }
    static void DecreaseAmount()
    {
        for (int i = 0; i < 100; i++)
        {
            amount--;
        }
    }
}

Output:

1          -98

Phương thức IncreaseAmount() sẽ in ra màn hình giá trị của biến amount chỉ khi biến này có giá trị lớn hơn 0. Tuy nhiên khi chạy ví dụ trên bạn có thể nhận được một kết quả sai, tức là một số âm sẽ được in ra màn hình.

Để khắc phục tình trạng này ta tạo thêm một đối tượng để làm “chìa khóa” và sử dụng lock như sau:

class ThreadLocking
{
    static int amount = 0;
    static object syncObj = new object();

    static void Main()
    {
        Thread t1 = new Thread(IncreaseAmount);
        Thread t2 = new Thread(DecreaseAmount);

        t1.Start();
        t2.Start();
    }

    static void IncreaseAmount()
    {
        for (int i = 0; i < 100; i++)
        {
            lock (syncObj)
            {
                amount++;
                if (amount > 0)
                {
                    Thread.Sleep(1);
                    Console.Write(amount + "\t");
                }
            }
        }
    }
    static void DecreaseAmount()
    {
        for (int i = 0; i < 100; i++)
        {
            lock (syncObj)
            {
                amount--;
            }
        }
    }
}

Deadlock

Đồng bộ hóa khi sử dụng thread là một công việc cần thiết, tuy nhiên nếu không cẩn thận bạn sẽ gặp phải tình trạng chương trình dừng hoạt động vô thời hạn. Tình trạng này được đặt tên là deadlock. Deadlock xảy ra khi có ít nhất hai thread cùng đợi thread kia giải phóng, thật “trùng hợp” là cả hai lại đang giữ “chìa khóa” của nhau.

Để dễ hiểu bạn hãy tưởng tượng có hai người hàng xóm bị nhốt trong hai căn phòng của chính mình và người này lại giữ chìa khóa của người kia. Và người này sẽ không thể đưa chìa khóa cho người kia nếu như không ra khỏi phòng. Rốt cuộc cả hai sẽ bị nhốt trong phòng mãi mãi? (Thật may là trong thực tế thì hai người hàng xóm vẫn còn rất nhiều cách để thoát khỏi tình trạng này). Vâng, rắc rối này sẽ được gọi là deadlock nếu bạn làm việc với thread.

Ví dụ nhỏ này sẽ cho ta thấy một tình trạng deadlock được tạo ra và chương trình sẽ không bao giờ tắt nếu bạn không can thiệp:

class ThreadDeadlock
{
    static object syncObj1 = new object();
    static object syncObj2 = new object();

    static void Main()
    {
        Thread t1 = new Thread(Foo);
        Thread t2 = new Thread(Bar);

        t1.Start();
        t2.Start();
    }

    static void Foo()
    {
        Console.WriteLine("Inside Foo method");
        lock (syncObj1)
        {
            Console.WriteLine("Foo: lock(syncObj1)");
            Thread.Sleep(100);
            lock (syncObj2)
            {
                Console.WriteLine("Foo: lock(syncObj2)");
            }
        }

    }
    static void Bar()
    {
        Console.WriteLine("Inside Bar method");
        lock (syncObj2)
        {
            Console.WriteLine("Bar: lock(syncObj2)");
            Thread.Sleep(100);
            lock (syncObj1)
            {
                Console.WriteLine("Bar: lock(syncObj1)");
            }
        }
    }
}

Output:

Inside Foo method

Foo: lock(syncObj1)

Inside Bar method

Bar: lock(syncObj2)

Với mỗi phương thức, tôi sử dụng Thread.Sleep(100) để thread chứa phương thức kia có thời gian thực thi trước khi phương thức này kết thúc. Và như kết quả bạn thấy, câu lệnh lock(syncObj2) của Foo() và lock(syncObj1) của Bar() sẽ không bao giờ được thực hiện vì hai đối tượng syncObj1 và syncObj2 đã bị khóa bởi hai thread khác nhau.

Để khắc phục tình trạng này bạn cần sử dụng lock cho các đối tượng theo thứ tự rõ ràng. Tuy nhiên điều này không thể khắc phục hoàn toàn với những chương trình tương đối phức tạp. Nếu dự án và mã nguồn của bạn không được tổ chức tốt, nguy cơ xảy ra rắc rối này rất cao và khó kiểm soát. Lời khuyên tốt nhất dành cho bạn là tổ chức chương trình rõ ràng, dễ quản lý và sử dụng những kĩ thuật đồng bộ cho phép quy định thời gian. Các kĩ thuật này sẽ được trình bày trong một bài viết khác.

 

(update 16/6/2011: Foreground and Background Thread)

https://yinyangit.wordpress.com