c#编程-线程同步

2023-08-15 19:44:52

线程同步

上一篇介绍了如何开启线程，线程间相互传递参数，及线程中本地变量和全局共享变量区别。

本篇主要说明线程同步。

如果有多个线程同时访问共享数据的时候，就必须要用线程同步，防止共享数据被破坏。如果多个线程不会同时访问共享数据，可以不用线程同步。

线程同步也会有一些问题存在：

性能损耗。获取，释放锁，线程上下文建切换都是耗性能的。
同步会使线程排队等待执行。

线程同步的几种方法：

阻塞

当线程调用Sleep，Join，EndInvoke，线程就处于阻塞状态（Sleep使调用线程阻塞，Join、EndInvoke使另外一个线程阻塞），会立即从cpu退出。（阻塞状态的线程不消耗cpu）

当线程在阻塞和非阻塞状态间切换时会消耗几毫秒时间。

//Join

static void Main()

{

  Thread t = new Thread (Go);

  Console.WriteLine ("Main方法已经运行....");

  t.Start();

  t.Join();//阻塞Main方法

  Console.WriteLine ("Main方法解除阻塞，继续运行...");

}

static void Go()

{

  Console.WriteLine ("在t线程上运行Go方法...");

}

//Sleep

static void Main()

{

  Console.WriteLine ("Main方法已经运行....");

  Thread.CurrentThread.Sleep(3000);//阻塞当前线程

  Console.WriteLine ("Main方法解除阻塞，继续运行...");

}

 //Task

 static void Main()

{

   Task Task1=Task.Run(() => {

            Console.WriteLine("task方法执行...");

              Thread.Sleep(1000);

            });

   Console.WriteLine(Task1.IsCompleted);

   Task1.Wait();//阻塞主线程 ，等该Task1完成

   Console.WriteLine(Task1.IsCompleted);

}

加锁（lock）

加锁使多个线程同一时间只有一个线程可以调用该方法，其他线程被阻塞。

同步对象的选择：

使用引用类型，值类型加锁时会装箱，产生一个新的对象。
使用private修饰，使用public时易产生死锁。（使用lock（this），lock(typeof(实例))时，该类也应该是private）。
string不能作为锁对象。
不能在lock中使用await关键字

锁是否必须是静态类型？

如果被锁定的方法是静态的，那么这个锁必须是静态类型。这样就是在全局锁定了该方法，不管该类有多少个实例，都要排队执行。

如果被锁定的方法不是静态的，那么不能使用静态类型的锁，因为被锁定的方法是属于实例的，只要该实例调用锁定方法不产生损坏就可以，不同实例间是不需要锁的。这个锁只锁该实例的方法，而不是锁所有实例的方法.*

class ThreadSafe

{

 private static object _locker = new object();

  void Go()

  {

    lock (_locker)

    {

      ......//共享数据的操作 （Static Method）,使用静态锁确保所有实例排队执行

    }

  }

private object _locker2=new object();

  void GoTo()

  {

    lock(_locker2)

    //共享数据的操作，非静态方法，是用非静态锁，确保同一个实例的方法调用者排队执行

  }

}

同步对象可以兼作它lock的对象

如：

class ThreadSafe

{

 private List <string> _list = new List <string>();

  void Test()

  {

    lock (_list)

    {

      _list.Add ("Item 1");

    }

  }

}

Monitors

lock其实是Monitors的简洁写法。

lock (x)

{

    DoSomething();

}

两者其实是一样的。

System.Object obj = (System.Object)x;

System.Threading.Monitor.Enter(obj);

try

{

    DoSomething();

}

finally

{

    System.Threading.Monitor.Exit(obj);

}

互斥锁（Mutex）

互斥锁是一个互斥的同步对象，同一时间有且仅有一个线程可以获取它。可以实现进程级别上线程的同步。

class Program

    {

      //实例化一个互斥锁

        public static Mutex mutex = new Mutex();

        static void Main(string[] args)

        {

            for (int i = 0; i < 3; i++)

            {

              //在不同的线程中调用受互斥锁保护的方法

                Thread test = new Thread(MutexMethod);

                test.Start();

            }

            Console.Read();

        }

        public static void MutexMethod()

        {

           Console.WriteLine("{0} 请求获取互斥锁", Thread.CurrentThread.Name);

           mut.WaitOne();

           Console.WriteLine("{0} 已获取到互斥锁", Thread.CurrentThread.Name);

           Thread.Sleep(1000);

           Console.WriteLine("{0} 准备释放互斥锁", Thread.CurrentThread.Name);

            // 释放互斥锁

           mut.ReleaseMutex();

           Console.WriteLine("{0} 已经释放互斥锁", Thread.CurrentThread.Name);

        }

    }

互斥锁可以在不同的进程间实现线程同步

使用互斥锁实现一个一次只能启动一个应用程序的功能。

    public static class SingleInstance

    {

        private static Mutex m;

        public static bool IsSingleInstance()

        {

            //是否需要创建一个应用

            Boolean isCreateNew = false;

            try

            {

               m = new Mutex(initiallyOwned: true, name: "SingleInstanceMutex", createdNew: out isCreateNew);

            }

            catch (Exception ex)

            {

            }

            return isCreateNew;

        }

    }

互斥锁的带有三个参数的构造函数

initiallyOwned: 如果initiallyOwned为true，互斥锁的初始状态就是被所实例化的线程所获取，否则实例化的线程处于未获取状态。
name:该互斥锁的名字，在操作系统中只有一个命名为name的互斥锁mutex，如果一个线程得到这个name的互斥锁，其他线程就无法得到这个互斥锁了，必须等待那个线程对这个线程释放。
createNew:如果指定名称的互斥体已经存在就返回false，否则返回true。

信号和句柄

lock和mutex可以实现线程同步，确保一次只有一个线程执行。但是线程间的通信就不能实现。如果线程需要相互通信的话就要使用AutoResetEvent,ManualResetEvent，通过信号来相互通信。它们都有两个状态，终止状态和非终止状态。只有处于非终止状态时，线程才可以阻塞。

`AutoResetEvent`：

AutoResetEvent 构造函数可以传入一个bool类型的参数，false表示将AutoResetEvent对象的初始状态设置为非终止。如果为true标识终止状态，那么WaitOne方法就不会再阻塞线程了。但是因为该类会自动的将终止状态修改为非终止，所以，之后再调用WaitOne方法就会被阻塞。

WaitOne 方法如果AutoResetEvent对象状态非终止，则阻塞调用该方法的线程。可以指定时间，若没有获取到信号，返回false

set 方法释放被阻塞的线程。但是一次只可以释放一个被阻塞的线程。

class ThreadSafe

{

    static AutoResetEvent autoEvent;  

    static void Main()

    {

        //使AutoResetEvent处于非终止状态

        autoEvent = new AutoResetEvent(false);  

        Console.WriteLine("主线程运行...");

        Thread t = new Thread(DoWork);

        t.Start();  

        Console.WriteLine("主线程sleep 1秒...");

        Thread.Sleep(1000);  

        Console.WriteLine("主线程释放信号...");

        autoEvent.Set();

    }  

     static void DoWork()

    {

        Console.WriteLine("  t线程运行DoWork方法，阻塞自己等待main线程信号...");

        autoEvent.WaitOne();

        Console.WriteLine("  t线程DoWork方法获取到main线程信号，继续执行...");

    }  

}  

//输出

//主线程运行...

//主线程sleep 1秒...

//  t线程运行DoWork方法，阻塞自己等待main线程信号...

//主线程释放信号...

//  t线程DoWork方法获取到main线程信号，继续执行...

ManualResetEvent

ManualResetEvent和AutoResetEvent用法类似。

AutoResetEvent在调用了Set方法后，会自动的将信号由释放（终止）改为阻塞（非终止），一次只有一个线程会得到释放信号。而ManualResetEvent在调用Set方法后不会自动的将信号由释放（终止）改为阻塞（非终止），而是一直保持释放信号，使得一次有多个被阻塞线程运行，只能手动的调用Reset方法，将信号由释放（终止）改为阻塞（非终止）,之后的再调用Wait.One方法的线程才会被再次阻塞。

public class ThreadSafe

{

    //创建一个处于非终止状态的ManualResetEvent

    private static ManualResetEvent mre = new ManualResetEvent(false);

    static void Main()

    {

        for(int i = 0; i <= 2; i++)

        {

            Thread t = new Thread(ThreadProc);

            t.Name = "Thread_" + i;

            t.Start();

        }

        Thread.Sleep(500);

        Console.WriteLine("\n新线程的方法已经启动，且被阻塞，调用Set释放阻塞线程");

        mre.Set();

        Thread.Sleep(500);

        Console.WriteLine("\n当ManualResetEvent处于终止状态时，调用由Wait.One方法的多线程，不会被阻塞。");

        for(int i = 3; i <= 4; i++)

        {

            Thread t = new Thread(ThreadProc);

            t.Name = "Thread_" + i;

            t.Start();

        }

        Thread.Sleep(500);

        Console.WriteLine("\n调用Reset方法，ManualResetEvent处于非阻塞状态，此时调用Wait.One方法的线程再次被阻塞");

        mre.Reset();

        Thread t5 = new Thread(ThreadProc);

        t5.Name = "Thread_5";

        t5.Start();

        Thread.Sleep(500);

        Console.WriteLine("\n调用Set方法，释放阻塞线程");

        mre.Set();

    }

    private static void ThreadProc()

    {

        string name = Thread.CurrentThread.Name;

        Console.WriteLine(name + " 运行并调用WaitOne()");

        mre.WaitOne();

        Console.WriteLine(name + " 结束");

    }

}

//Thread_2 运行并调用WaitOne()

//Thread_1 运行并调用WaitOne()

//Thread_0 运行并调用WaitOne()

//新线程的方法已经启动，且被阻塞，调用Set释放阻塞线程

//Thread_2 结束

//Thread_1 结束

//Thread_0 结束

//当ManualResetEvent处于终止状态时，调用由Wait.One方法的多线程，不会被阻塞。

//Thread_3 运行并调用WaitOne()

//Thread_4 运行并调用WaitOne()

//Thread_4 结束

//Thread_3 结束

///调用Reset方法，ManualResetEvent处于非阻塞状态，此时调用Wait.One方法的线程再次被阻塞

//Thread_5 运行并调用WaitOne()

//调用Set方法，释放阻塞线程

//Thread_5 结束

Interlocked

如果一个变量被多个线程修改，读取。可以用Interlocked。

计算机上不能保证对一个数据的增删是原子性的，因为对数据的操作也是分步骤的：

将实例变量中的值加载到寄存器中。
增加或减少该值。
在实例变量中存储该值。

Interlocked为多线程共享的变量提供原子操作。

Interlocked提供了需要原子操作的方法：

public static int Add (ref int location1, int value); 两个参数相加，且把结果和赋值该第一个参数。
public static int Increment (ref int location); 自增。

public static int CompareExchange (ref int location1, int value, int comparand);

location1 和comparand比较，被value替换.

value 如果第一个参数和第三个参数相等，那么就把value赋值给第一个参数。

comparand 和第一个参数对比。

ReaderWriterLock

如果要确保一个资源或数据在被访问之前是最新的。那么就可以使用ReaderWriterLock.该锁确保在对资源获取赋值或更新时，只有它自己可以访问这些资源，其他线程都不可以访问。即排它锁。但用改锁读取这些数据时，不能实现排它锁。

lock允许同一时间只有一个线程执行。而ReaderWriterLock允许同一时间有多个线程可以执行读操作，或者只有一个有排它锁的线程执行写操作。

    class Program

    {

        // 创建一个对象

        public static ReaderWriterLock readerwritelock = new ReaderWriterLock();

        static void Main(string[] args)

        {

            //创建一个线程读取数据

            Thread t1 = new Thread(Write);

           // t1.Start(1);

            Thread t2 = new Thread(Write);

            //t2.Start(2);

            // 创建10个线程读取数据

            for (int i = 3; i < 6; i++)

            {

                Thread t = new Thread(Read);

              //  t.Start(i);

            }

            Console.Read();

        }

        // 写入方法

        public static void Write(object i)

        {

            // 获取写入锁，20毫秒超时。

            Console.WriteLine("线程：" + i + "准备写...");

            readerwritelock.AcquireWriterLock(Timeout.Infinite);

            Console.WriteLine("线程：" + i + " 写操作" + DateTime.Now);

            // 释放写入锁

            Console.WriteLine("线程：" + i + "写结束...");

            Thread.Sleep(1000);

            readerwritelock.ReleaseWriterLock();

        }

        // 读取方法

        public static void Read(object i)

        {

            Console.WriteLine("线程：" + i + "准备读...");

            // 获取读取锁，20毫秒超时

            readerwritelock.AcquireReaderLock(Timeout.Infinite);

            Console.WriteLine("线程：" + i + " 读操作" + DateTime.Now);

            // 释放读取锁

            Console.WriteLine("线程：" + i + "读结束...");

            Thread.Sleep(1000);

            readerwritelock.ReleaseReaderLock();

        }

    }

//分别屏蔽writer和reader方法。可以更清晰的看到 writer被阻塞了。而reader没有被阻塞。

//屏蔽reader方法

//线程：1准备写...

//线程：1 写操作2017/7/5 17:50:01

//线程：1写结束...

//线程：2准备写...

//线程：2 写操作2017/7/5 17:50:02

//线程：2写结束...

//屏蔽writer方法

//线程：3准备读...

//线程：5准备读...

//线程：4准备读...

//线程：5 读操作2017/7/5 17:50:54

//线程：5读结束...

//线程：3 读操作2017/7/5 17:50:54

//线程：3读结束...

//线程：4 读操作2017/7/5 17:50:54

//线程：4读结束...

参考：

MSDN
《CLR via C#》

码农公寓