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C# 實現(xiàn)多線程的同步方法詳解

 華燈初放l 2012-06-11


本文主要描述在C#中線程同步的方法,。線程的基本概念網(wǎng)上資料也很多就不再贅述了。直接接入 主題,,在多線程開發(fā)的應(yīng)用中,,線程同步是不可避免的。在.Net框架中,,實現(xiàn)線程同步主要通過以下的幾種方式來實現(xiàn),,在MSDN的線程指南中已經(jīng)講了幾 種,本文結(jié)合作者實際中用到的方式一起說明一下,。

1. 維護(hù)自由鎖(InterLocked)實現(xiàn)同步

2. 監(jiān)視器(Monitor)和互斥鎖(lock)

3. 讀寫鎖(ReadWriteLock)

4. 系統(tǒng)內(nèi)核對象

1) 互斥(Mutex), 信號量(Semaphore), 事件(AutoResetEvent/ManualResetEvent)

2) 線程池

除了以上的這些對象之外實現(xiàn)線程同步的還可以使用Thread.Join方法,。這種方法比較簡單,當(dāng)你在第一個線程運行時想等待第二個線程執(zhí)行結(jié)果,,那么你可以讓第二個線程Join進(jìn)來就可以了,。

自由鎖(InterLocked)

對一個32位的整型數(shù)進(jìn)行遞增和遞減操作來實現(xiàn)鎖,有人會問為什么不用++或--來 操作,。因為在多線程中對鎖進(jìn)行操作必須是原子的,,而++和--不具備這個能力,。InterLocked類還提供了兩個另外的函數(shù)Exchange, CompareExchange用于實現(xiàn)交換和比較交換。Exchange操作會將新值設(shè)置到變量中并返回變量的原來值: int oVal = InterLocked.Exchange(ref val, 1),。

監(jiān)視器(Monitor)

在MSDN中對Monitor的描述是: Monitor 類通過向單個線程授予對象鎖來控制對對象的訪問,。

Monitor類是一個靜態(tài)類因此你不能通過實例化來得到類的對象。Monitor 的成員可以查看MSDN,,基本上Monitor的效果和lock是一樣的,,通過加鎖操作Enter設(shè)置臨界區(qū),完成操作后使用Exit操作來釋放對象鎖,。 不過相對來說Monitor的功能更強(qiáng),,Moniter可以進(jìn)行測試鎖的狀態(tài),因此你可以控制對臨界區(qū)的訪問選擇,,等待or離開, 而且Monitor還可以在釋放鎖之前通知指定的對象,,更重要的是使用Monitor可以跨越方法來操作,。Monitor提供的方法很少就只有獲取鎖的方 法Enter, TryEnter,;釋放鎖的方法Wait, Exit;還有消息通知方法Pulse, PulseAll,。經(jīng)典的Monitor操作是這樣的:

// 通監(jiān)視器來創(chuàng)建臨界區(qū) 
static public void DelUser(string name)
{
try
{
// 等待線程進(jìn)入
Monitor.Enter(Names);
Names.Remove(name);
Console.WriteLine("Del: {0}", Names.Count);
Monitor.Pulse(Names);
}
finally
{
// 釋放對象鎖
Monitor.Exit(Names);
}
}
}

其中Names是一個List, 這里有一個小技巧,,如果你想聲明整個方法為線程同步可以使用方法屬性:

// 通過屬性設(shè)置整個方法為臨界區(qū) 
[MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]
static public void AddUser(string name)
{
Names.Add(name);
Console.WriteLine("Add: {0}",Names.Count);
}

對于Monitor的使用有一個方法是比較詭異的,那就是Wait方法,。在MSDN中對Wait的描述是: 釋放對象上的鎖以便允許其他線程鎖定和訪問該對象,。

這里提到的是先釋放鎖,那么顯然我們需要先得到鎖,,否則調(diào)用Wait會出現(xiàn)異常,,所 以我們必須在Wait前面調(diào)用Enter方法或其他獲取鎖的方法,如lock,,這點很重要,。對應(yīng)Enter方法,Monitor給出來另一種實現(xiàn) TryEnter,。這兩種方法的主要區(qū)別在于是否阻塞當(dāng)前線程,,Enter方法在獲取不到鎖時,會阻塞當(dāng)前線程直到得到鎖,。不過缺點是如果永遠(yuǎn)得不到鎖那 么程序就會進(jìn)入死鎖狀態(tài),。我們可以采用Wait來解決,在調(diào)用Wait時加入超時時限就可以,。

if (Monitor.TryEnter(Names))
{
Monitor.Wait(Names, 1000); // !!
Names.Remove(name);
Console.WriteLine("Del: {0}", Names.Count);
Monitor.Pulse(Names);
}

互斥鎖(lock)

lock關(guān)鍵字是實現(xiàn)線程同步的比較簡單的方式,,其實就是設(shè)置一個臨界區(qū)。在 lock之后的{...}區(qū)塊為一個臨界區(qū),,當(dāng)進(jìn)入臨界區(qū)時加互斥鎖,,離開臨界區(qū)時釋放互斥鎖,。MSDN對lock關(guān)鍵字的描述是: lock 關(guān)鍵字可將語句塊標(biāo)記為臨界區(qū),方法是獲取給定對象的互斥鎖,,執(zhí)行語句,,然后釋放該鎖。

具體例子如下:

static public void ThreadFunc(object name)
{
string str = name as string;
Random rand = new Random();
int count = rand.Next(100, 200);
for (int i = 0; i < count; i++)
{
lock (NumList)
{
NumList.Add(i);
Console.WriteLine("{0} {1}", str, i);
}
}
}

對lock的使用有幾點建議:對實例鎖定lock(this),對靜態(tài)變量鎖定lock(typeof(val)),。lock的對象訪問權(quán)限最好是private,,否則會出現(xiàn)失去訪問控制現(xiàn)象。

讀寫鎖(ReadWriteLock)

讀寫鎖的出現(xiàn)主要是在很多情況下,,我們讀資源的操作要多于寫資源的操作,。但是如果每 次只對資源賦予一個線程的訪問權(quán)限顯然是低效的,讀寫鎖的優(yōu)勢是同時可以有多個線程對同一資源進(jìn)行讀操作,。因此在讀操作比寫操作多很多,,并且寫操作的時間 很短的情況下使用讀寫鎖是比較有效率的。讀寫鎖是一個非靜態(tài)類所以你在使用前需要先聲明一個讀寫鎖對象:

static private ReaderWriterLock _rwlock = new ReaderWriterLock();

讀寫鎖是通過調(diào)用AcquireReaderLock,,ReleaseReaderLock,,AcquireWriterLock,ReleaseWriterLock來完成讀鎖和寫鎖控制的

static public void ReaderThread(int thrdId) 
{
try
{ // 請求讀鎖,,如果100ms超時退出
_rwlock.AcquireReaderLock(10);
try
{
int inx = _rand.Next(_list.Count);
if (inx < _list.Count)
Console.WriteLine("{0}thread {1}", thrdId, _list[inx]);
}
finally
{
_rwlock.ReleaseReaderLock();
}
}
catch (ApplicationException) // 如果請求讀鎖失敗
{
Console.WriteLine("{0}thread get reader lock out time!", thrdId);
}
}
static public void WriterThread()
{
try
{
// 請求寫鎖
_rwlock.AcquireWriterLock(100);
try
{
string val = _rand.Next(200).ToString();
_list.Add(val); // 寫入資源
Console.WriteLine("writer thread has written {0}", val);
}
finally
{ // 釋放寫鎖
_rwlock.ReleaseWriterLock();
}
}
catch (ApplicationException)
{
Console.WriteLine("Get writer thread lock out time!");
}
}

如果你想在讀的時候插入寫操作請使用UpgradeToWriterLock和DowngradeFromWriterLock來進(jìn)行操作,,而不是釋放讀鎖。

static private void UpgradeAndDowngrade(int thrdId) 
{
try
{
_rwlock.AcquireReaderLock(10);
try
{
try
{
// 提升讀鎖到寫鎖
LockCookie lc = _rwlock.UpgradeToWriterLock(100);
try
{
string val = _rand.Next(500).ToString();

_list.Add(val); Console.WriteLine
("Upgrade Thread{0} add {1}", thrdId, val);
}
finally
{ // 下降寫鎖
_rwlock.DowngradeFromWriterLock(ref lc);
}
}
catch (ApplicationException)
{
Console.WriteLine("{0}thread upgrade reader lock failed!", thrdId);
}
}
finally
{
// 釋放原來的讀鎖
_rwlock.ReleaseReaderLock();
}
}
catch (ApplicationException)
{
Console.WriteLine("{0}thread get reader lock out time!", thrdId);
}
}

這里有一點要注意的就是讀鎖和寫鎖的超時等待時間間隔的設(shè)置,。通常情況下設(shè)置寫鎖的等待超時要比讀鎖的長,,否則會經(jīng)常發(fā)生寫鎖等待失敗的情況。

系統(tǒng)內(nèi)核對象 互斥對象(Mutex)

互斥對象的作用有點類似于監(jiān)視器對象,,確保一個代碼塊在同一時刻只有一個線程在執(zhí) 行,。互斥對象和監(jiān)視器對象的主要區(qū)別就是,,互斥對象一般用于跨進(jìn)程間的線程同步,,而監(jiān)視器對象則用于進(jìn)程內(nèi)的線程同步?;コ鈱ο笥袃煞N:一種是命名互斥,; 另一種是匿名互斥。在跨進(jìn)程中使用到的就是命名互斥,,一個已命名的互斥就是一個系統(tǒng)級的互斥,,它可以被其他進(jìn)程所使用,只要在創(chuàng)建互斥時指定打開互斥的名 稱就可以,。在.Net中互斥是通過Mutex類來實現(xiàn),。

其實對于OpenExisting函數(shù)有兩個重載版本,

Mutex.OpenExisting (String)

Mutex.OpenExisting (String, MutexRights)

對于默認(rèn)的第一個函數(shù)其實是實現(xiàn)了第二個函數(shù) MutexRights.Synchronize|MutexRights.Modify操作。

由于監(jiān)視器的設(shè)計是基于.Net框架,,而Mutex類是系統(tǒng)內(nèi)核對象封裝了win32的一個內(nèi)核結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)互斥,,并且互斥操作需要請求中斷來完成,因此在進(jìn)行進(jìn)程內(nèi)線程同步的時候性能上要比互斥要好,。

典型的使用Mutex同步需要完成三個步驟的操作:1.打開或者創(chuàng)建一個Mutex實例,;2.調(diào)用WaitOne()來請求互斥對象;3.最后調(diào)用ReleaseMutex來釋放互斥對象,。

static public void AddString(string str) 
{
// 設(shè)置超時時限并在wait前退出非默認(rèn)托管上下文
if (_mtx.WaitOne(1000, true))
{
_resource.Add(str);
_mtx.ReleaseMutex();
}
}

需要注意的是,,WaitOne和ReleaseMutex必須成對出現(xiàn),否則會導(dǎo)致進(jìn)程死鎖的發(fā)生,,這時系統(tǒng)(.Net2.0)框架會拋出AbandonedMutexException異常,。

信號量(Semaphore)

信號量就像一個夜總會:它有確切的容量,并被保鏢控制,。一旦滿員,,就沒有人能再進(jìn)入,其他人必須在外面排隊,。那么在里面離開一個人后,,隊頭的人就可以進(jìn)入。信號量的構(gòu)造函數(shù)需要提供至少兩個參數(shù)-現(xiàn)有的人數(shù)和最大的人數(shù),。

信號量的行為有點類似于Mutex或是lock,,但是信號量沒有擁有者,。任意線程都可以調(diào)用Release來釋放信號量而不像Mutex和lock那樣需要線程得到資源才能釋放,。

class SemaphoreTest 
{
static Semaphore s = new Semaphore(3, 3); // 當(dāng)前值=3; 容量=3
static void Main()
{
for (int i = 0; i < 10; i++)
new Thread(Go).Start();
}
static void Go()
{
while (true)
{
s.WaitOne();
Thread.Sleep(100); // 一次只有個線程能被處理
s.Release();
}
}
}

事件(ManualResetEvent/AutoResetEvent)
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AutoResetEvent

一個AutoResetEvent象是一個"檢票輪盤":插入一張通行證然后讓一個 人通過。"auto"的意思就是這個"輪盤"自動關(guān)閉或者打開讓某人通過,。線程將在調(diào)用WaitOne后進(jìn)行等待或者是阻塞,,并且通過調(diào)用Set操作來插 入線程。如果一堆線程調(diào)用了WaitOne操作,,那么"輪盤"就會建立一個等待隊列,。一個通行證可以來自任意一個線程,換句話說任意一個線程都可以通過訪 問AutoResetEvent對象并調(diào)用Set來釋放一個阻塞的線程,。

如果在Set被調(diào)用的時候沒有線程等待,,那么句柄就會一直處于打開狀態(tài)直到有線程調(diào) 用了WaitOne操作。這種行為避免了競爭條件-當(dāng)一個線程還沒來得急釋放而另一個線程就開始進(jìn)入的情況,。因此重復(fù)的調(diào)用Set操作一個"輪盤"哪怕是 沒有等待線程也不會一次性的讓所有線程進(jìn)入,。

WaitOne操作接受一個超時參數(shù)-當(dāng)發(fā)生等待超時的時候,這個方法會返回一個 false,。當(dāng)已有一個線程在等待的時候,,WaitOne操作可以指定等待還是退出當(dāng)前同步上下文。Reset操作提供了關(guān)閉"輪盤"的操作。 AutoResetEvent能夠通過兩個方法來創(chuàng)建: 1.調(diào)用構(gòu)造函數(shù) EventWaitHandle wh = new AutoResetEvent (false); 如果boolean值為true,,那么句柄的Set操作將在創(chuàng)建后自動被調(diào)用 ,;2. 通過基類EventWaitHandle方式 EventWaitHandle wh = new EventWaitHandle (false, EventResetMode.Auto); EventWaitHandle構(gòu)造函數(shù)允許創(chuàng)建一個ManualResetEvent。人們應(yīng)該通過調(diào)用Close來釋放一個Wait Handle在它不再使用的時候,。當(dāng)在應(yīng)用程序的生存期內(nèi)Wait handle繼續(xù)被使用,,那么如果遺漏了Close這步,在應(yīng)用程序關(guān)閉的時候也會被自動釋放,。

class BasicWaitHandle 
{
static EventWaitHandle wh = new AutoResetEvent(false);
static void Main()
{
new Thread(Waiter).Start();
Thread.Sleep(1000); // 等待一會兒
wh.Set(); // 喚醒
}
static void Waiter()
{
Console.WriteLine("Waiting...");
wh.WaitOne(); // 等待喚醒
Console.WriteLine("Notified");
}
}

ManualResetEvent

ManualResetEvent是AutoResetEvent的一個特例,。它的 不同之處在于在線程調(diào)用WaitOne后不會自動的重置狀態(tài)。它的工作機(jī)制有點象是開關(guān):調(diào)用Set打開并允許其他線程進(jìn)行WaitOne,;調(diào)用 Reset關(guān)閉那么排隊的線程就要等待,,直到下一次打開??梢允褂靡粋€帶volatile聲明的boolean字段來模擬間斷休眠 - 通過重復(fù)檢測標(biāo)志,,然后休眠一小段時間。

ManualResetEvent常常被用于協(xié)助完成一個特殊的操作,,或者讓一個線程在開始工作前完成初始化,。

線程池(Thread Pooling)

如果你的應(yīng)用程序擁有大量的線程并花費大量的時間阻塞在一個Wait Handle上,那么你要考慮使用線程池(Thead pooling)來處理,。線程池通過合并多個Wait Handle來節(jié)約等待的時間,。當(dāng)Wait Handle被激活時,使用線程池你需要注冊一個Wait Handle到一個委托去執(zhí)行,。通過調(diào)用ThreadPool.RegisterWaitForSingleObject方法:

class Test 
{
static ManualResetEvent starter = new ManualResetEvent(false);
public static void Main()
{
ThreadPool.RegisterWaitForSingleObject(starter, Go, "hello", -1, true);
Thread.Sleep(5000);
Console.WriteLine("Signaling worker...");
starter.Set();
Console.ReadLine();
}
public static void Go(object data, bool timedOut)
{
Console.WriteLine("Started " + data); // Perform task...
}
}

對于Wait Handle和委托,,RegisterWaitForSingleObject接受一個"黑盒"對象并傳遞給你的委托(就像 ParameterizedThreadStart),超時設(shè)置和boolean標(biāo)志指示了關(guān)閉和循環(huán)的請求,。所有進(jìn)入池中的線程都被認(rèn)為是后臺線程,,這 就意味著它們不再由應(yīng)用程序控制,而是由系統(tǒng)控制直到應(yīng)用程序退出,。

注意:如果這時候調(diào)用Abort操作,,可能會發(fā)生意想不到的情況。

你也可以通過調(diào)用QueueUserWorkItem方法使用線程池,,指定委托并立即被執(zhí)行,。這時你不能在多任務(wù)情況下保存共享線程,但是可以得到另外的好處:線程池會保持一個線程的總?cè)萘?,?dāng)作業(yè)數(shù)超出容量時自動插入任務(wù),。

class Test 
{
static object workerLocker = new object();
static int runningWorkers = 100;
public static void Main()
{
for (int i = 0; i < runningWorkers; i++)
{
ThreadPool.QueueUserWorkItem(Go, i);
}
Console.WriteLine("Waiting for threads to complete...");
lock (workerLocker)
{
while (runningWorkers > 0)
Monitor.Wait(workerLocker);
}
Console.WriteLine("Complete!");
Console.ReadLine();
}
public static void Go(object instance)
{
Console.WriteLine("Started: " + instance);
Thread.Sleep(1000);
Console.WriteLine("Ended: " + instance);
lock (workerLocker)
{
runningWorkers--;
Monitor.Pulse(workerLocker);
}
}
}

為了傳遞多個對象到目標(biāo)方法,你必須定義一個客戶對象并包含所有屬性或通過調(diào)用異步的委托,。如Go方法接受兩參數(shù):

ThreadPool.QueueUserWorkItem (delegate (object notUsed) { Go (23,34); });

其他的方法可以使用異步委托,。

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