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在.Net框架中C#实现多线程的同步方法详解

作者:佚名    文章来源:赛迪网    更新时间:2011-6-4 12:51:48

本文主要描述在C#中线程同步的方法。线程的基本概念网上资料也很多就不再赘述了。直接接入主题,在多线程开发的应用中,线程同步是不可避免的。在.Net框架中,实现线程同步主要通过以下的几种方式来实现,在MSDN的线程指南中已经讲了几种,本文结合作者实际中用到的方式一起说明一下。

1. 维护自由锁(InterLocked)实现同步

2. 监视器(Monitor)和互斥锁(lock)

3. 读写锁(ReadWriteLock)

4. 系统内核对象

1) 互斥(Mutex), 信号量(Semaphore), 事件(AutoResetEvent/ManualResetEvent)

2) 线程池

除了以上的这些对象之外实现线程同步的还可以使用Thread.Join方法。这种方法比较简单,当你在第一个线程运行时想等待第二个线程执行结果,那么你可以让第二个线程Join进来就可以了。

自由锁(InterLocked)

对一个32位的整型数进行递增和递减操作来实现锁,有人会问为什么不用++或--来操作。因为在多线程中对锁进行操作必须是原子的,而++和--不具备这个能力。InterLocked类还提供了两个另外的函数Exchange, CompareExchange用于实现交换和比较交换。Exchange操作会将新值设置到变量中并返回变量的原来值: int oVal = InterLocked.Exchange(ref val, 1)。

监视器(Monitor)

在MSDN中对Monitor的描述是: Monitor 类通过向单个线程授予对象锁来控制对对象的访问。

Monitor类是一个静态类因此你不能通过实例化来得到类的对象。Monitor的成员可以查看MSDN,基本上Monitor的效果和lock是一样的,通过加锁操作Enter设置临界区,完成操作后使用Exit操作来释放对象锁。不过相对来说Monitor的功能更强,Moniter可以进行测试锁的状态,因此你可以控制对临界区的访问选择,等待or离开, 而且Monitor还可以在释放锁之前通知指定的对象,更重要的是使用Monitor可以跨越方法来操作。Monitor提供的方法很少就只有获取锁的方法Enter, TryEnter;释放锁的方法Wait, Exit;还有消息通知方法Pulse, PulseAll。经典的Monitor操作是这样的:

// 通监视器来创建临界区
        static public void DelUser(string name)
        {
            try
            {
                // 等待线程进入
                Monitor.Enter(Names);
                Names.Remove(name);
                Console.WriteLine("Del: {0}", Names.Count);
                Monitor.Pulse(Names);
            }
            finally
            {
                // 释放对象锁
                Monitor.Exit(Names);
            }
        }
    }

其中Names是一个List, 这里有一个小技巧,如果你想声明整个方法为线程同步可以使用方法属性:

// 通过属性设置整个方法为临界区
        [MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]
        static public void AddUser(string name)
        {
            Names.Add(name);
            Console.WriteLine("Add: {0}",Names.Count);
        }

对于Monitor的使用有一个方法是比较诡异的,那就是Wait方法。在MSDN中对Wait的描述是: 释放对象上的锁以便允许其他线程锁定和访问该对象。

这里提到的是先释放锁,那么显然我们需要先得到锁,否则调用Wait会出现异常,所以我们必须在Wait前面调用Enter方法或其他获取锁的方法,如lock,这点很重要。对应Enter方法,Monitor给出来另一种实现TryEnter。这两种方法的主要区别在于是否阻塞当前线程,Enter方法在获取不到锁时,会阻塞当前线程直到得到锁。不过缺点是如果永远得不到锁那么程序就会进入死锁状态。我们可以采用Wait来解决,在调用Wait时加入超时时限就可以。

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

互斥锁(lock)

lock关键字是实现线程同步的比较简单的方式,其实就是设置一个临界区。在lock之后的{...}区块为一个临界区,当进入临界区时加互斥锁,离开临界区时释放互斥锁。MSDN对lock关键字的描述是: lock 关键字可将语句块标记为临界区,方法是获取给定对象的互斥锁,执行语句,然后释放该锁。

具体例子如下:

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);
                }
            }
        }

对lock的使用有几点建议:对实例锁定lock(this),对静态变量锁定lock(typeof(val))。lock的对象访问权限最好是private,否则会出现失去访问控制现象。

读写锁(ReadWriteLock)

读写锁的出现主要是在很多情况下,我们读资源的操作要多于写资源的操作。但是如果每次只对资源赋予一个线程的访问权限显然是低效的,读写锁的优势是同时可以有多个线程对同一资源进行读操作。因此在读操作比写操作多很多,并且写操作的时间很短的情况下使用读写锁是比较有效率的。读写锁是一个非静态类所以你在使用前需要先声明一个读写锁对象:

static private ReaderWriterLock _rwlock = new ReaderWriterLock();

读写锁是通过调用AcquireReaderLock,ReleaseReaderLock,AcquireWriterLock,ReleaseWriterLock来完成读锁和写锁控制的

static public void ReaderThread(int thrdId)
        {
            try
            { // 请求读锁,如果100ms超时退出
                _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) // 如果请求读锁失败
            {
                Console.WriteLine("{0}thread get reader lock out time!", thrdId);
            }
        }
        static public void WriterThread()
        {
            try
            {
                // 请求写锁
                _rwlock.AcquireWriterLock(100);
                try
                {
                    string val = _rand.Next(200).ToString();
                    _list.Add(val); // 写入资源
                    Console.WriteLine("writer thread has written {0}", val);
                }
                finally
                { // 释放写锁
                    _rwlock.ReleaseWriterLock();
                }
            }
            catch (ApplicationException)
            {
                Console.WriteLine("Get writer thread lock out time!");
            }
        }

如果你想在读的时候插入写操作请使用UpgradeToWriterLock和DowngradeFromWriterLock来进行操作,而不是释放读锁。

static private void UpgradeAndDowngrade(int thrdId)
        {
            try
            {
                _rwlock.AcquireReaderLock(10);
                try
                {
                    try
                    {
                        // 提升读锁到写锁
                        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
                        { // 下降写锁
                            _rwlock.DowngradeFromWriterLock(ref lc);
                        }
                    }
                    catch (ApplicationException)
                    {
                        Console.WriteLine("{0}thread upgrade reader lock failed!", thrdId);
                    }
                }
                finally
                {
                    // 释放原来的读锁
                    _rwlock.ReleaseReaderLock();
                }
            }
            catch (ApplicationException)
            {
                Console.WriteLine("{0}thread get reader lock out time!", thrdId);
            }
        }

这里有一点要注意的就是读锁和写锁的超时等待时间间隔的设置。通常情况下设置写锁的等待超时要比读锁的长,否则会经常发生写锁等待失败的情况。

系统内核对象 互斥对象(Mutex)

互斥对象的作用有点类似于监视器对象,确保一个代码块在同一时刻只有一个线程在执行。互斥对象和监视器对象的主要区别就是,互斥对象一般用于跨进程间的线程同步,而监视器对象则用于进程内的线程同步。互斥对象有两种:一种是命名互斥;另一种是匿名互斥。在跨进程中使用到的就是命名互斥,一个已命名的互斥就是一个系统级的互斥,它可以被其他进程所使用,只要在创建互斥时指定打开互斥的名称就可以。在.Net中互斥是通过Mutex类来实现。

其实对于OpenExisting函数有两个重载版本,

Mutex.OpenExisting (String)

Mutex.OpenExisting (String, MutexRights)

对于默认的第一个函数其实是实现了第二个函数 MutexRights.Synchronize|MutexRights.Modify操作。

由于监视器的设计是基于.Net框架,而Mutex类是系统内核对象封装了win32的一个内核结构来实现互斥,并且互斥操作需要请求中断来完成,因此在进行进程内线程同步的时候性能上要比互斥要好。

典型的使用Mutex同步需要完成三个步骤的操作:1.打开或者创建一个Mutex实例;2.调用WaitOne()来请求互斥对象;3.最后调用ReleaseMutex来释放互斥对象。

static public void AddString(string str)
        {
            // 设置超时时限并在wait前退出非默认托管上下文
            if (_mtx.WaitOne(1000, true))
            {
                _resource.Add(str);
                _mtx.ReleaseMutex();
            }
        }

需要注意的是,WaitOne和ReleaseMutex必须成对出现,否则会导致进程死锁的发生,这时系统(.Net2.0)框架会抛出AbandonedMutexException异常。

信号量(Semaphore)

信号量就像一个夜总会:它有确切的容量,并被保镖控制。一旦满员,就没有人能再进入,其他人必须在外面排队。那么在里面离开一个人后,队头的人就可以进入。信号量的构造函数需要提供至少两个参数-现有的人数和最大的人数。

信号量的行为有点类似于Mutex或是lock,但是信号量没有拥有者。任意线程都可以调用Release来释放信号量而不像Mutex和lock那样需要线程得到资源才能释放。

class SemaphoreTest
    {
        static Semaphore s = new Semaphore(3, 3); // 当前值=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); // 一次只有个线程能被处理
                s.Release();
            }
        }
    } 

事件(ManualResetEvent/AutoResetEvent)   
< src="http://blog.csdn.net/count.aspx?ID=1857459&Type=Rank"
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AutoResetEvent

一个AutoResetEvent象是一个"检票轮盘":插入一张通行证然后让一个人通过。"auto"的意思就是这个"轮盘"自动关闭或者打开让某人通过。线程将在调用WaitOne后进行等待或者是阻塞,并且通过调用Set操作来插入线程。如果一堆线程调用了WaitOne操作,那么"轮盘"就会建立一个等待队列。一个通行证可以来自任意一个线程,换句话说任意一个线程都可以通过访问AutoResetEvent对象并调用Set来释放一个阻塞的线程。

如果在Set被调用的时候没有线程等待,那么句柄就会一直处于打开状态直到有线程调用了WaitOne操作。这种行为避免了竞争条件-当一个线程还没来得急释放而另一个线程就开始进入的情况。因此重复的调用Set操作一个"轮盘"哪怕是没有等待线程也不会一次性的让所有线程进入。

WaitOne操作接受一个超时参数-当发生等待超时的时候,这个方法会返回一个false。当已有一个线程在等待的时候,WaitOne操作可以指定等待还是退出当前同步上下文。Reset操作提供了关闭"轮盘"的操作。AutoResetEvent能够通过两个方法来创建: 1.调用构造函数 EventWaitHandle wh = new AutoResetEvent (false); 如果boolean值为true,那么句柄的Set操作将在创建后自动被调用 ;2. 通过基类EventWaitHandle方式 EventWaitHandle wh = new EventWaitHandle (false, EventResetMode.Auto); EventWaitHandle构造函数允许创建一个ManualResetEvent。人们应该通过调用Close来释放一个Wait Handle在它不再使用的时候。当在应用程序的生存期内Wait handle继续被使用,那么如果遗漏了Close这步,在应用程序关闭的时候也会被自动释放。

class BasicWaitHandle
    {
        static EventWaitHandle wh = new AutoResetEvent(false);
        static void Main()
        {
            new Thread(Waiter).Start();
            Thread.Sleep(1000); // 等待一会儿
            wh.Set(); // 唤醒
        }
        static void Waiter()
        {
            Console.WriteLine("Waiting...");
            wh.WaitOne(); // 等待唤醒
            Console.WriteLine("Notified");
        }
    }

ManualResetEvent

ManualResetEvent是AutoResetEvent的一个特例。它的不同之处在于在线程调用WaitOne后不会自动的重置状态。它的工作机制有点象是开关:调用Set打开并允许其他线程进行WaitOne;调用Reset关闭那么排队的线程就要等待,直到下一次打开。可以使用一个带volatile声明的boolean字段来模拟间断休眠 - 通过重复检测标志,然后休眠一小段时间。

ManualResetEvent常常被用于协助完成一个特殊的操作,或者让一个线程在开始工作前完成初始化。

线程池(Thread Pooling)

如果你的应用程序拥有大量的线程并花费大量的时间阻塞在一个Wait Handle上,那么你要考虑使用线程池(Thead pooling)来处理。线程池通过合并多个Wait Handle来节约等待的时间。当Wait Handle被激活时,使用线程池你需要注册一个Wait Handle到一个委托去执行。通过调用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...
        }
    }

对于Wait Handle和委托,RegisterWaitForSingleObject接受一个"黑盒"对象并传递给你的委托(就像ParameterizedThreadStart),超时设置和boolean标志指示了关闭和循环的请求。所有进入池中的线程都被认为是后台线程,这就意味着它们不再由应用程序控制,而是由系统控制直到应用程序退出。

注意:如果这时候调用Abort操作,可能会发生意想不到的情况。

你也可以通过调用QueueUserWorkItem方法使用线程池,指定委托并立即被执行。这时你不能在多任务情况下保存共享线程,但是可以得到另外的好处:线程池会保持一个线程的总容量,当作业数超出容量时自动插入任务。

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);
            }
        }
    }

为了传递多个对象到目标方法,你必须定义一个客户对象并包含所有属性或通过调用异步的委托。如Go方法接受两参数:

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

其他的方法可以使用异步委托。


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