C#与NET实战 第5章 进程、线程与同步 节选
下来我们将讨论Windows NT/2000/XP操作系统架构下有关进程与线程的基本概念。必须牢记，上一章所介绍的CLR是在启动.NET程序集时，被运行时宿主载入进程的一个软件层。

5.1 简介

进程（process）是一块包含了某些资源的内存区域。操作系统利用进程把它的工作划分为一些功能单元。

进程中所包含的一个或多个执行单元称为线程（thread）。进程还拥有一个私有的虚拟地址空间，该空间仅能被它所包含的线程访问。

当运行.NET程序时，进程还会把被称为CLR的软件层包含到它的内存空间中。上一章曾经对CLR做了详细描述。该软件层是在进程创建期间由运行时宿主载入的（参见4.2.3节）。

线程只能归属于一个进程并且它只能访问该进程所拥有的资源。当操作系统创建一个进程后，该进程会自动申请一个名为主线程或首要线程的线程。主线程将执行运行时宿主, 而运行时宿主会负责载入CLR。

应用程序（application）是由一个或多个相互协作的进程组成的。例如，Visual Studio开发环境就是利用一个进程编辑源文件，并利用另一个进程完成编译工作的应用程序。

在Windows NT/2000/XP操作系统下，我们可以通过任务管理器在任意时间查看所有的应用程序和进程。尽管只打开了几个应用程序，但是通常情况下将有大约30个进程同时运行。 事实上，为了管理当前的会话和任务栏以及其他一些任务，系统执行了大量的进程。

5.2 进程

5.2.1 简介

在运行于32位处理器上的32位Windows操作系统中，可将一个进程视为一段大小为4GB（2³²字节）的线性内存空间，它起始于0x00000000结束于0xFFFFFFFF。这段内存空间不能被其他进程所访问，所以称为该进程的私有空间。这段空间被平分为两块，2GB被系统所有，剩下2GB被用户所有。

如果有N个进程运行在同一台机器上，那么将需要N×4GB的海量RAM，还好事实并非如此。

• Windows是按需为每个进程分配内存的，4GB是32位系统中一个进程所占空间的上限。
• 将进程所需的内存划分为4KB大小的内存页，并根据使用情况将这些内存页存储在硬盘上或加载到RAM中，通过系统的这种虚拟内存机制，我们可以有效地减少对实际内存的需求量。当然这些对用户和开发者来说都是透明的。

5.2.2 System.Diagnostics.Process类

System.Diagnostics.Process类的实例可以引用一个进程，被引用的进程包含以下几种。

• 该实例的当前进程。
• 本机上除了当前进程的其他进程。
• 远程机器上的某个进程。

通过该类所包含的方法和字段，可以创建或销毁一个进程，并且可以获得一个进程的相关信息。下面将讨论一些使用该类实现的常见任务。

5.2.3 创建和销毁子进程

下面的程序创建了一个称为子进程的新进程。在这种情况下，初始的进程称为父进程。子进程启动了一个记事本应用程序。父进程的线程在等待1秒后销毁该子进程。该程序的执行效果就是打开并关闭记事本。

例5-1

静态方法Start()可以使用已存在的Windows文件扩展名关联机制。例如，我们可以利用下面的代码执行同样的操作。

默认情况下，子进程将继承其父进程的安全上下文。但还可以使用Process.Start()方法的一个重载版本在任意用户的安全上下文中启动该子进程，当然需要通过一个System.Diagnostics. ProcessStartInfo类的实例来提供该用户的用户名和密码。

5.2.4 避免在一台机器上同时运行同一应用程序的多个实例

有些应用程序需要这种功能。实际上，通常来说在同一台机器上同时运行一个应用程序的多个实例并没有意义。

直到现在，为了在Windows下满足上述约束，开发者最常用的方法仍然是使用有名互斥体（named mutex）技术（参见5.7.2节）。然而采用这种技术来满足上述约束存在以下缺点：

• 该技术具有使互斥体的名字被其他应用程序所使用的较小的、潜在的风险。在这种情况下该技术将不再有效并且会造成很难检测到的bug。
• 该技术不能解决我们仅允许一个应用程序产生N个实例这种一般的问题。

幸而在System.Diagnostics.Process类中拥有GetCurrentProcess()（返回当前进程）和GetPro- cesses()（返回机器上所有的进程）这样的静态方法。在下面的程序中我们为上述问题找到了一个优雅且简单的解决方案。

例5-2

通过方法参数指定了远程机器的名字后，GetProcesses()方法也可以返回远程机器上所有的进程。

5.2.5 终止当前进程

可以调用System.Environment类中的静态方法Exit(int exitCode)或FailFast(string message)终止当前进程。Exit()方法是最好的选择，它将彻底终止进程并向操作系统返回指定的退出代码值。之所以称为彻底终止是因为当前对象的所有清理工作以及finally块的执行都将由不同的线程完成。当然，终止进程将花费一定的时间。

顾名思义，FailFast()方法可以迅速终止进程。Exit()方法所做的预防措施将被它忽略。只有一个包含了指定信息的严重错误会被操作系统记录到日志中。你可能想要在探查问题的时候使用该方法，因为可以将该程序的彻底终止视为数据恶化的起因。

5.3 线程

5.3.1 简介

一个线程包含以下内容。

• 一个指向当前被执行指令的指令指针；
• 一个栈；
• 一个寄存器值的集合，定义了一部分描述正在执行线程的处理器状态的值；
• 一个私有的数据区。

所有这些元素都归于线程执行上下文的名下。处在同一个进程中的所有线程都可以访问该进程所包含的地址空间，当然也包含存储在该空间中的所有资源。

我们不准备讨论线程在内核模式或者用户模式执行的问题。尽管.NET以前的Windows一直使用这两种模式，并且依然存在，但是对.NET Framework来说它们是不可见的。

并行使用一些线程通常是我们在实现算法时的自然反应。实际上，一个算法往往由一系列可以并发执行的任务组成。但是需要引起注意的是，使用大量的线程将引起过多的上下文切换，最终反而影响了性能。

同样，几年前我们就注意到，预测每18个月处理器运算速度增加一倍的摩尔定律已不再成立。处理器的频率停滞在3GHz~4GHz上下。这是由于物理上的限制，需要一段时间才能取得突破。同时，为了在性能竞争中不会落败，较大的处理器制造商如AMD和Intel目前都将目标转向多核芯片。因此我们可以预计在接下去的几年中这种类型的架构将广泛被采用。在这种情况下，改进应用性能的唯一方案就是合理地利用多线程技术。

5.3.2 受托管的线程与 Windows线程

必须要了解，执行.NET应用的线程实际上仍然是Windows线程。但是，当某个线程被CLR所知时，我们将它称为受托管的线程。具体来说，由受托管的代码创建出来的线程就是受托管的线程。如果一个线程由非托管的代码所创建，那么它就是非托管的线程。不过，一旦该线程执行了受托管的代码它就变成了受托管的线程。

一个受托管的线程和非托管的线程的区别在于，CLR将创建一个System.Threading.Thread类的实例来代表并操作前者。在内部实现中，CLR将一个包含了所有受托管线程的列表保存在一个叫做ThreadStore地方。

CLR确保每一个受托管的线程在任意时刻都在一个AppDomain中执行，但是这并不代表一个线程将永远处在一个AppDomain中，它可以随着时间的推移转到其他的AppDomain中。关于AppDomain的概念参见4.1。

从安全的角度来看，一个受