C#四线程编程体系(三)- 线程同步

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1.1 简介

本章介绍在C#中落到实处线程同步的两种办法。因为三个线程同时访问共享数据时,只怕会促成共享数据的毁伤,从而造成与预期的结果不符合。为了消除这几个题材,所以须求用到线程同步,也被俗称为“加锁”。不过加锁相对不对升高质量,最多相当于不增不减,要贯彻品质不增不减还得靠高品质的同步源语(Synchronization
Primitive)。但是因为不错永远比速度更关键,所以线程同步在少数场景下是必须的。

线程同步有三种源语(Primitive)构造:用户情势(user –
mode)
基础形式(kernel –
mode)
,当资源可用时间短的事态下,用户情势要优于水源形式,可是一旦长日子无法取得财富,或许说长日子处在“自旋”,那么内核情势是相对来说好的挑三拣四。

唯独大家期待拥有用户情势和基本方式的亮点,大家把它称为掺杂构造(hybrid
construct)
,它富有了三种方式的亮点。

在C#中有各类线程同步的建制,平日可以坚守以下依次举行抉择。

  1. 若是代码能经过优化能够不开展协同,那么就无须做一道。
  2. 运用原子性的Interlocked方法。
  3. 使用lock/Monitor类。
  4. 行使异步锁,如SemaphoreSlim.WaitAsync()
  5. 拔取任何加锁机制,如ReaderWriterLockSlim、Mutex、Semaphore等。
  6. 即便系统提供了*Slim本子的异步对象,那么请采取它,因为*Slim本子全体都是混合锁,在进入基础情势前完结了某种方式的自旋。

在一道中,一定要小心幸免死锁的发生,死锁的发生必须满意以下六个着力尺度,所以只须求破坏任意三个原则,就可防止发出死锁。

  1. 排他或互斥(Mutual
    exclusion):三个线程(ThreadA)独占三个财富,没有其余线程(ThreadB)能博得相同的财富。
  2. 占用并等候(Hold and
    wait):互斥的一个线程(ThreadA)请求获取另多个线程(ThreadB)占有的财富.
  3. 不足超过(No
    preemption):二个线程(ThreadA)占有能源不可以被威吓拿走(只好等待ThreadA主动释放它的财富)。
  4. 循环等待条件(Circular wait
    condition):五个或八个线程构成2个循环等待链,它们锁定四个或多少个一样的财富,逐个线程都在等待链中的下3个线程占有的资源。

1.2 执行基本原子操作

CLTucson保障了对这么些数据类型的读写是原子性的:Boolean、Char、(S)Byte、(U)Int16、(U)Int32、(U)IntPtr和Single。不过倘诺读写Int64莫不会生出读取撕裂(torn
read)的题材,因为在3几位操作系统中,它必要举行一回Mov操作,不或者在二个年华内实施到位。

那就是说在本节中,就会主要的牵线System.Threading.Interlocked类提供的主意,Interlocked类中的每一个方法都是推行一遍的读取以及写入操作。越来越多与Interlocked类相关的质地请参见链接,戳一戳.aspx)本文不在赘述。

演示代码如下所示,分别使用了三种办法开展计数:错误计数形式、lock锁格局和Interlocked原子格局。

private static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("错误的计数");

    var c = new Counter();
    Execute(c);

    Console.WriteLine("--------------------------");


    Console.WriteLine("正确的计数 - 有锁");

    var c2 = new CounterWithLock();
    Execute(c2);

    Console.WriteLine("--------------------------");


    Console.WriteLine("正确的计数 - 无锁");

    var c3 = new CounterNoLock();
    Execute(c3);

    Console.ReadLine();
}

static void Execute(CounterBase c)
{
    // 统计耗时
    var sw = new Stopwatch();
    sw.Start();

    var t1 = new Thread(() => TestCounter(c));
    var t2 = new Thread(() => TestCounter(c));
    var t3 = new Thread(() => TestCounter(c));
    t1.Start();
    t2.Start();
    t3.Start();
    t1.Join();
    t2.Join();
    t3.Join();

    sw.Stop();
    Console.WriteLine($"Total count: {c.Count} Time:{sw.ElapsedMilliseconds} ms");
}

static void TestCounter(CounterBase c)
{
    for (int i = 0; i < 100000; i++)
    {
        c.Increment();
        c.Decrement();
    }
}

class Counter : CounterBase
{
    public override void Increment()
    {
        _count++;
    }

    public override void Decrement()
    {
        _count--;
    }
}

class CounterNoLock : CounterBase
{
    public override void Increment()
    {
        // 使用Interlocked执行原子操作
        Interlocked.Increment(ref _count);
    }

    public override void Decrement()
    {
        Interlocked.Decrement(ref _count);
    }
}

class CounterWithLock : CounterBase
{
    private readonly object _syncRoot = new Object();

    public override void Increment()
    {
        // 使用Lock关键字 锁定私有变量
        lock (_syncRoot)
        {
            // 同步块
            Count++;
        }
    }

    public override void Decrement()
    {
        lock (_syncRoot)
        {
            Count--;
        }
    }
}


abstract class CounterBase
{
    protected int _count;

    public int Count
    {
        get
        {
            return _count;
        }
        set
        {
            _count = value;
        }
    }

    public abstract void Increment();

    public abstract void Decrement();
}

运行结果如下所示,与预期结果基本吻合。

图片 1

1.3 使用Mutex类

System.Threading.Mutex在概念上和System.Threading.Monitor差一些一致,不过Mutex一块对文本大概其余跨进度的财富开展访问,也等于说Mutex是可跨进程的。因为其特色,它的二个用场是限制应用程序无法而且运行多少个实例。

Mutex目的协理递归,相当于说同三个线程可反复拿走同1个锁,这在前面演示代码中可观望到。由于Mutex的基类System.Theading.WaitHandle实现了IDisposable接口,所以当不须要在行使它时要注意举办财富的放飞。更加多质感:戳一戳

以身作则代码如下所示,简单的以身作则了什么创建单实例的应用程序和Mutex递归获取锁的完成。

const string MutexName = "CSharpThreadingCookbook";

static void Main(string[] args)
{
    // 使用using 及时释放资源
    using (var m = new Mutex(false, MutexName))
    {
        if (!m.WaitOne(TimeSpan.FromSeconds(5), false))
        {
            Console.WriteLine("已经有实例正在运行!");
        }
        else
        {

            Console.WriteLine("运行中...");

            // 演示递归获取锁
            Recursion();

            Console.ReadLine();
            m.ReleaseMutex();
        }
    }

    Console.ReadLine();
}

static void Recursion()
{
    using (var m = new Mutex(false, MutexName))
    {
        if (!m.WaitOne(TimeSpan.FromSeconds(2), false))
        {
            // 因为Mutex支持递归获取锁 所以永远不会执行到这里
            Console.WriteLine("递归获取锁失败!");
        }
        else
        {
            Console.WriteLine("递归获取锁成功!");
        }
    }
}

运营结果如下图所示,打开了四个应用程序,因为运用Mutex贯彻了单实例,所以第1个应用程序无法赢得锁,就会来得已有实例正在运维

图片 2

1.4 使用SemaphoreSlim类

SemaphoreSlim类与事先提到的一道类有锁不一致,此前涉嫌的同步类都是排斥的,约等于说只同意二个线程进行走访能源,而SemaphoreSlim是足以允许多个访问。

在以前的一部分有涉及,以*Slim末段的线程同步类,都以做事在混合方式下的,相当于说初始它们都以在用户情势下”自旋”,等暴发首回竞争时,才切换成基础方式。可是SemaphoreSlim不同于Semaphore类,它不帮忙系统信号量,所以它不可以用来进程之间的联合

该类应用比较简单,演示代码演示了5个线程竞争访问只同意几个线程同时做客的数据库,如下所示。

static void Main(string[] args)
{
    // 创建6个线程 竞争访问AccessDatabase
    for (int i = 1; i <= 6; i++)
    {
        string threadName = "线程 " + i;
        // 越后面的线程,访问时间越久 方便查看效果
        int secondsToWait = 2 + 2 * i;
        var t = new Thread(() => AccessDatabase(threadName, secondsToWait));
        t.Start();
    }

    Console.ReadLine();
}

// 同时允许4个线程访问
static SemaphoreSlim _semaphore = new SemaphoreSlim(4);

static void AccessDatabase(string name, int seconds)
{
    Console.WriteLine($"{name} 等待访问数据库.... {DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.ffff")}");

    // 等待获取锁 进入临界区
    _semaphore.Wait();

    Console.WriteLine($"{name} 已获取对数据库的访问权限 {DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.ffff")}");
    // Do something
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));

    Console.WriteLine($"{name} 访问完成... {DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.ffff")}");
    // 释放锁
    _semaphore.Release();
}

运维结果如下所示,可知前五个线程立刻就拿到到了锁,进入了临界区,而除此以外五个线程在守候;等有锁被放飞时,才能进入临界区。图片 3

1.5 使用AutoResetEvent类

AutoResetEvent叫自动重置事件,尽管名称中有事件一词,不过重置事件和C#中的委托没有任何关联,那里的风云只是由基本维护的Boolean变量,当事件为false,那么在事件上等候的线程就不通;事件变成true,那么阻塞解除。

在.Net中有三种此类事件,即AutoResetEvent(自动重置事件)ManualResetEvent(手动重置事件)。那二者均是利用根本格局,它的分别在于当重置事件为true时,自动重置事件它只唤醒三个不通的线程,会活动将事件重置回false,造成任何线程继续阻塞。而手动重置事件不会自动重置,必须通过代码手动重置回false

因为以上的缘故,所以在众多篇章和图书中不推荐使用AutoResetEvent(自动重置事件),因为它很简单在编写生产者线程时爆发失误,造成它的迭代次数多余消费者线程。

以身作则代码如下所示,该代码演示了经过AutoResetEvent完成五个线程的竞相同步。

static void Main(string[] args)
{
    var t = new Thread(() => Process(10));
    t.Start();

    Console.WriteLine("等待另一个线程完成工作!");
    // 等待工作线程通知 主线程阻塞
    _workerEvent.WaitOne();
    Console.WriteLine("第一个操作已经完成!");
    Console.WriteLine("在主线程上执行操作");
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(5));

    // 发送通知 工作线程继续运行
    _mainEvent.Set();
    Console.WriteLine("现在在第二个线程上运行第二个操作");

    // 等待工作线程通知 主线程阻塞
    _workerEvent.WaitOne();
    Console.WriteLine("第二次操作完成!");

    Console.ReadLine();
}

// 工作线程Event
private static AutoResetEvent _workerEvent = new AutoResetEvent(false);
// 主线程Event
private static AutoResetEvent _mainEvent = new AutoResetEvent(false);

static void Process(int seconds)
{
    Console.WriteLine("开始长时间的工作...");
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
    Console.WriteLine("工作完成!");

    // 发送通知 主线程继续运行
    _workerEvent.Set();
    Console.WriteLine("等待主线程完成其它工作");

    // 等待主线程通知 工作线程阻塞
    _mainEvent.WaitOne();
    Console.WriteLine("启动第二次操作...");
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
    Console.WriteLine("工作完成!");

    // 发送通知 主线程继续运行
    _workerEvent.Set();
}

运营结果如下图所示,与预期结果符合。

图片 4

1.6 使用ManualResetEventSlim类

ManualResetEventSlim使用和ManualResetEvent类基本一致,只是ManualResetEventSlim工作在混合方式下,而它与AutoResetEventSlim差距的地点就是内需手动重置事件,相当于调用Reset()才能将事件重置为false

以身作则代码如下,形象的将ManualResetEventSlim好比成大门,当事件为true时大门打开,线程解除阻塞;而事件为false时大门关闭,线程阻塞。

static void Main(string[] args)
        {
            var t1 = new Thread(() => TravelThroughGates("Thread 1", 5));
            var t2 = new Thread(() => TravelThroughGates("Thread 2", 6));
            var t3 = new Thread(() => TravelThroughGates("Thread 3", 12));
            t1.Start();
            t2.Start();
            t3.Start();

            // 休眠6秒钟  只有Thread 1小于 6秒钟,所以事件重置时 Thread 1 肯定能进入大门  而 Thread 2 可能可以进入大门
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(6));
            Console.WriteLine($"大门现在打开了!  时间:{DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");
            _mainEvent.Set();

            // 休眠2秒钟 此时 Thread 2 肯定可以进入大门
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
            _mainEvent.Reset();
            Console.WriteLine($"大门现在关闭了! 时间:{DateTime.Now.ToString("mm: ss.ffff")}");

            // 休眠10秒钟 Thread 3 可以进入大门
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(10));
            Console.WriteLine($"大门现在第二次打开! 时间:{DateTime.Now.ToString("mm: ss.ffff")}");
            _mainEvent.Set();
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));

            Console.WriteLine($"大门现在关闭了! 时间:{DateTime.Now.ToString("mm: ss.ffff")}");
            _mainEvent.Reset();

            Console.ReadLine();
        }

        static void TravelThroughGates(string threadName, int seconds)
        {
            Console.WriteLine($"{threadName} 进入睡眠 时间:{DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));

            Console.WriteLine($"{threadName} 等待大门打开! 时间:{DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");
            _mainEvent.Wait();

            Console.WriteLine($"{threadName} 进入大门! 时间:{DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");
        }

        static ManualResetEventSlim _mainEvent = new ManualResetEventSlim(false);

运作结果如下,与预期结果符合。

图片 5

1.7 使用CountDownEvent类

CountDownEvent类内部构造采取了贰个ManualResetEventSlim目的。这么些协会阻塞二个线程,直到它其中计数器(CurrentCount)变为0时,才免除阻塞。约等于说它并不是阻止对已经紧张的财富池的拜访,而是只有当计数为0时才同意访问。

那边须要专注的是,当CurrentCount变为0时,那么它就不可以被改成了。为0以后,Wait()形式的封堵被解除。

以身作则代码如下所示,唯有当Signal()措施被调用1回后头,Wait()方式的堵截才被扫除。

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"开始两个操作  {DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");
    var t1 = new Thread(() => PerformOperation("操作 1 完成!", 4));
    var t2 = new Thread(() => PerformOperation("操作 2 完成!", 8));
    t1.Start();
    t2.Start();

    // 等待操作完成
    _countdown.Wait();
    Console.WriteLine($"所有操作都完成  {DateTime.Now.ToString("mm: ss.ffff")}");
    _countdown.Dispose();

    Console.ReadLine();
}

// 构造函数的参数为2 表示只有调用了两次 Signal方法 CurrentCount 为 0时  Wait的阻塞才解除
static CountdownEvent _countdown = new CountdownEvent(2);

static void PerformOperation(string message, int seconds)
{
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
    Console.WriteLine($"{message}  {DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");

    // CurrentCount 递减 1
    _countdown.Signal();
}

运作结果如下图所示,可知唯有当操作1和操作2都成功今后,才实施输出全体操作都形成。

图片 6

1.8 使用Barrier类

Barrier类用于缓解三个卓殊罕见的标题,常常貌似用不上。Barrier类控制一名目繁多线程举办阶段性的相互工作。

只要未来相互工作分为1个级次,各个线程在形成它自身那有些阶段1的干活后,必须停下来等待其余线程落成阶段1的做事;等具有线程均成功阶段1做事后,每一种线程又初始运转,完结阶段2行事,等待其余线程全体落成阶段2办事后,整个流程才为止。

以身作则代码如下所示,该代码演示了两个线程分等级的到位工作。

static void Main(string[] args)
{
    var t1 = new Thread(() => PlayMusic("钢琴家", "演奏一首令人惊叹的独奏曲", 5));
    var t2 = new Thread(() => PlayMusic("歌手", "唱着他的歌", 2));

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

    Console.ReadLine();
}

static Barrier _barrier = new Barrier(2,
 Console.WriteLine($"第 {b.CurrentPhaseNumber + 1} 阶段结束"));

static void PlayMusic(string name, string message, int seconds)
{
    for (int i = 1; i < 3; i++)
    {
        Console.WriteLine("----------------------------------------------");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
        Console.WriteLine($"{name} 开始 {message}");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
        Console.WriteLine($"{name} 结束 {message}");
        _barrier.SignalAndWait();
    }
}

运行结果如下所示,当“明星”线程落成后,并不曾马上截止,而是等待“钢琴家”线程为止,当”钢琴家”线程截至后,才起来第1品级的做事。

图片 7

1.9 使用ReaderWriterLockSlim类

ReaderWriterLockSlim类重假设竭泽而渔在好几场景下,读操作多于写操作而选用一些互斥锁当八个线程同时做客能源时,只有一个线程能访问,导致质量急剧下落。

只要持有线程都指望以只读的不二法门访问数据,就平昔未曾须要阻塞它们;假诺3个线程希望修改数据,那么那几个线程才必要独占访问,那就是ReaderWriterLockSlim的天下第1应用场景。那几个类如同上面那样来支配线程。

  • 二个线程向数据写入是,请求访问的其余具备线程都被封堵。
  • 一个线程读取数据时,请求读取的线程允许读取,而请求写入的线程被封堵。
  • 写入线程甘休后,要么解除多个写入线程的不通,使写入线程能向数据联网,要么解除所有读取线程的短路,使它们能并发读取多少。若是线程没有被卡住,锁就可以进去自由使用的景况,可供下二个读线程或写线程获取。
  • 从数额读取的全体线程停止后,一个写线程被免除阻塞,使它能向数据写入。假若线程没有被堵塞,锁就足以进去自由使用的场合,可供下三个读线程或写线程获取。

ReaderWriterLockSlim还帮忙从读线程升级为写线程的操作,详情请戳一戳.aspx)。文本不作介绍。ReaderWriterLock类已经过时,而且存在许多题材,没有须要去采用。

示范代码如下所示,创设了二个读线程,3个写线程,读线程和写线程竞争获得锁。

static void Main(string[] args)
{
    // 创建3个 读线程
    new Thread(() => Read("Reader 1")) { IsBackground = true }.Start();
    new Thread(() => Read("Reader 2")) { IsBackground = true }.Start();
    new Thread(() => Read("Reader 3")) { IsBackground = true }.Start();

    // 创建两个写线程
    new Thread(() => Write("Writer 1")) { IsBackground = true }.Start();
    new Thread(() => Write("Writer 2")) { IsBackground = true }.Start();

    // 使程序运行30S
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(30));

    Console.ReadLine();
}

static ReaderWriterLockSlim _rw = new ReaderWriterLockSlim();
static Dictionary<int, int> _items = new Dictionary<int, int>();

static void Read(string threadName)
{
    while (true)
    {
        try
        {
            // 获取读锁定
            _rw.EnterReadLock();
            Console.WriteLine($"{threadName} 从字典中读取内容  {DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");
            foreach (var key in _items.Keys)
            {
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1));
            }
        }
        finally
        {
            // 释放读锁定
            _rw.ExitReadLock();
        }
    }
}

static void Write(string threadName)
{
    while (true)
    {
        try
        {
            int newKey = new Random().Next(250);
            // 尝试进入可升级锁模式状态
            _rw.EnterUpgradeableReadLock();
            if (!_items.ContainsKey(newKey))
            {
                try
                {
                    // 获取写锁定
                    _rw.EnterWriteLock();
                    _items[newKey] = 1;
                    Console.WriteLine($"{threadName} 将新的键 {newKey} 添加进入字典中  {DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");
                }
                finally
                {
                    // 释放写锁定
                    _rw.ExitWriteLock();
                }
            }
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1));
        }
        finally
        {
            // 减少可升级模式递归计数,并在计数为0时  推出可升级模式
            _rw.ExitUpgradeableReadLock();
        }
    }
}

运营结果如下所示,与预期结果符合。

图片 8

1.10 使用SpinWait类

SpinWait是三个常用的搅和情势的类,它被设计成采纳用户格局等待一段时间,人后切换至基本形式以节约CPU时间。

它的采用极度不难,演示代码如下所示。

static void Main(string[] args)
{
    var t1 = new Thread(UserModeWait);
    var t2 = new Thread(HybridSpinWait);

    Console.WriteLine("运行在用户模式下");
    t1.Start();
    Thread.Sleep(20);
    _isCompleted = true;
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
    _isCompleted = false;

    Console.WriteLine("运行在混合模式下");
    t2.Start();
    Thread.Sleep(5);
    _isCompleted = true;

    Console.ReadLine();
}

static volatile bool _isCompleted = false;

static void UserModeWait()
{
    while (!_isCompleted)
    {
        Console.Write(".");
    }
    Console.WriteLine();
    Console.WriteLine("等待结束");
}

static void HybridSpinWait()
{
    var w = new SpinWait();
    while (!_isCompleted)
    {
        w.SpinOnce();
        Console.WriteLine(w.NextSpinWillYield);
    }
    Console.WriteLine("等待结束");
}

运转结果如下两图所示,首先程序运营在模拟的用户方式下,使CPU有三个急促的峰值。然后利用SpinWait干活在混合形式下,首先标志变量为False高居用户形式自旋中,等待今后进入基础情势。

图片 9

图片 10

参照书籍

本文紧要参考了以下几本书,在此对这一个笔者表示真诚的谢谢你们提供了这么好的材质。

  1. 《CLR via C#》
  2. 《C# in Depth Third Edition》
  3. 《Essential C# 6.0》
  4. 《Multithreading with C# Cookbook Second Edition》

源码下载点击链接
以身作则源码下载

作者水平有限,借使不当欢迎各位批评指正!

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