多執行緒入門

1. 介紹

多執行緒就像辦公室裡幾個人同時做事：一個在印文件、另一個在打電話、第三個在煮咖啡（當然，他們都是程式設計師）。如果只有一個人，他會把所有事情排隊做，辦公室會因為等咖啡而悶到窒息。在程式裡也是一樣：單執行緒程式一次只能做一件事。

想像你的應用在做一個很耗時的操作，比如從網路下載檔案或計算超大的表格。其他東西在那段時間會「凍結」——按鈕按不下去、動畫不動，還會跳出「沒有回應」之類的提示視窗。

多執行緒讓應用能同時做好幾件事：界面保持回應、操作可以並行執行，這樣你就不用對著電腦喊「電腦，你又死當了？！」。

基本概念與術語

在潛水之前，先搞清楚什麼是執行緒（thread）以及它和進程的差別。

• 進程 (Process): 獨立的程式，有自己的地址空間、變數和資源。例如在 Windows 裡每個被啟動的應用通常是獨立的進程。
• 執行緒 (Thread): 在進程內的執行單位。進程可以包含一或多個執行緒，這些執行緒會共同使用同一份資源（記憶體、變數）。

為什麼多執行緒會引發那麼多疑問？

因為執行緒是愛冒險的傢伙：它們可能在任何時刻開始執行、把資料搞亂、互相打斷，若不控制好順序，記憶體就會變成災難現場。如果你覺得這像沒大人帶的托兒所——完全沒錯！對執行緒的紀律和注意是寫出可靠多執行緒程式的基礎。

2. C# 與 .NET 中多執行緒的歷史與角色

早期 C# 程式比較單純、也常是單執行緒的。隨著效能要求增加、多核 CPU 的普及，以及需要做出不會卡住介面的應用，.NET 加入了多執行緒的工具。最開始有經典的 System.Threading.Thread 類別，後來出現了 tasks（Task）、非同步方法（async/await）、資料平行處理（PLINQ）以及更多高階的同步原語。

C# 發展成一個強大的平台，在那裡多執行緒不是稀罕玩意，而是日常。

圖示：進程與執行緒

來一個簡單的示意圖：

+--------------------------------------------------+
|                 進程 (你的程式)                  |
|      +-------------+   +-------------+           |
|      |  執行緒 1   |   |  執行緒 2   |           |
|      +-------------+   +-------------+           |
|                ...                                 |
|      +-------------+                              |
|      |  執行緒 N   |                              |
|      +-------------+                              |
+--------------------------------------------------+

同一個進程裡的所有執行緒都能看到共同的變數和資源。

3. 如何在 C# 中建立執行緒？

從最基礎開始：Thread 類別，屬於命名空間 System.Threading。

範例：啟動第二個執行緒

假設有一個耗時任務——例如計算從 1 到 10_000_000 的總和。當計算在跑時，主執行緒可以印出對使用者的問候。

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    // 第二個任務的方法
    static void CalculateSum()
    {
        long sum = 0;
        for (int i = 1; i <= 10_000_000; i++)
            sum += i;
        Console.WriteLine($"[執行緒 2] 總和: {sum}");
    }

    static void Main()
    {
        // 建立執行緒，傳入方法的 delegate
        Thread thread = new Thread(CalculateSum);
        
        thread.Start(); // 啟動第二個執行緒

        // 主執行緒繼續工作
        Console.WriteLine("[執行緒 1] 嗨！我們在並行工作...");

        // 在退出前等第二個執行緒完成
        thread.Join();

        Console.WriteLine("[執行緒 1] 全部完成！");
    }
}

會發生什麼？
畫面會先出現 "[執行緒 1] 嗨！我們在並行工作..."，然後當計算執行緒結束時會輸出總和。

典型問題：誰先輸出

多試幾次執行這段程式——輸出順序可能會不一樣！有時總和先出、有時問候先出。這就是多執行緒的真實面貌——程式變得不那麼可預測，就像星期一貓的心情。

4. 記憶體區域：執行緒能看見什麼？

同一個進程裡的執行緒可以存取相同的變數（除非變數是方法的區域變數）。如果一個執行緒改變變數，其他執行緒也會看到變化！

範例：共享變數

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    static int counter = 0;

    static void Increment()
    {
        for (int i = 0; i < 1000; i++)
            counter++;
    }

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

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

        t1.Join();
        t2.Join();

        Console.WriteLine($"counter = {counter}");
    }
}

我們預期在 counter 看到多少？照理每個執行緒會做 1000 次遞增，應該是 2000。

結果不是這樣！多跑幾次會看到不同的數值：1782、1935、1999…
為什麼？這就是經典的 Race Condition ——執行緒在讀取 -> 增加 -> 寫入 的間隙互相搶份，部分遞增被丟失了。

5. 有用的小細節

執行緒如何和 UI 互動？

在現代的桌面應用（WinForms/WPF/MAUI）裡，主執行緒通常負責處理圖形介面。所有使用者事件（點擊、輸入）都在主執行緒處理。背景工作應放到其他執行緒，但依規則不能直接從背景執行緒去「碰」UI，以免造成混亂。

在主控台程式沒這個限制，可以從任何執行緒呼叫 Console.WriteLine。不過在真實應用中，若沒正確同步，介面還是會出問題。

順序與並行

用表格幫你記住差別。

使用執行緒時的重要事項

• 共享變數 = 共享風險。 如上例，如果多個執行緒使用同一個變數而不做同步，就會出錯！（後面的課會詳談）
• 可以用 Join() 等待執行緒。 Join() 會把呼叫它的執行緒暫停，直到目標執行緒結束。如果你需要等結果就用它。
• Thread 不能重複啟動。 執行緒結束後不能再用同一個物件啟動——要新建一個 Thread。
• 結束執行緒。 執行緒會在其方法執行完畢時終止。強制「殺死」執行緒通常是壞主意（像 Abort() 這種方法已被認為有害且過時）。

多執行緒在實務上的用途

• UI 應用：避免在背景載入或計算時凍結介面。
• 伺服器與服務：同時處理大量客戶端的請求。
• 高效能計算：把大任務（例如處理上百萬筆資料）切成小塊並行處理。
• 遊戲、模擬、資料處理：模擬複雜系統同時保持效能。

多執行緒的問題

多執行緒給你力量，也帶來麻煩：

• Race Condition (狀態競賽): 當多個執行緒同時修改相同資料，結果會依賴指令的執行順序，這個順序是不可預測的。
• Deadlock（互相鎖定）: 執行緒互相等待對方，沒有人能繼續執行。
• Starvation（飢餓）: 某個執行緒持續得不到資源，永遠被剝奪執行機會。

這堂課我們只提到多執行緒的主要問題，接下來的課會教你如何識別與避免它們。現在只要記住：如果程式「凍住」了，造成問題的不一定只是 bug，可能是執行緒在那邊開派對。