重新想象 Windows 8 Store Apps (46) - 多线程之线程同步: Lock, Monitor, Interlocked, Mutex, ReaderWriterLock

2021-10-27 12:47:20

原文:重新想象 Windows 8 Store Apps (46) - 多线程之线程同步: Lock, Monitor, Interlocked, Mutex, ReaderWriterLock

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重新想象 Windows 8 Store Apps (46) - 多线程之线程同步: Lock, Monitor, Interlocked, Mutex, ReaderWriterLock



作者：webabcd


介绍
重新想象 Windows 8 Store Apps 之 线程同步

  • lock - 其实就是对 Monitor.Enter() 和 Monitor.Exit() 的一个封装
  • Monitor - 锁
  • Interlocked - 为多个线程共享的数字型变量提供原子操作
  • Mutex - 互斥锁，主要用于同一系统内跨进程的互斥锁
  • ReaderWriterLock - 读写锁



示例
1、演示 lock 的使用
Thread/Lock/LockDemo.xaml

<Page
    x:Class="XamlDemo.Thread.Lock.LockDemo"
    xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
    xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
    xmlns:local="using:XamlDemo.Thread.Lock"
    xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"
    xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"
    mc:Ignorable="d">

    <Grid Background="Transparent">
        <StackPanel Margin="120 0 0 0">

            <TextBlock Name="lblMsgWithoutLock" FontSize="14.667" />
            <TextBlock Name="lblMsgWithLock" FontSize="14.667" />

        </StackPanel>
    </Grid>
</Page>

Thread/Lock/LockDemo.xaml.cs

/*
 * 演示 lock 的使用
 * 
 * 注：lock 其实就是对 Monitor.Enter() 和 Monitor.Exit() 的一个封装
 */

using System.Collections.Generic;
using System.Threading.Tasks;
using Windows.UI.Xaml.Controls;
using Windows.UI.Xaml.Navigation;

namespace XamlDemo.Thread.Lock
{
    public sealed partial class LockDemo : Page
    {
        // 需要被 lock 的对象
        private static readonly object _objLock = new object();

        private static int _countWithoutLock;
        private static int _countWithLock;

        public LockDemo()
        {
            this.InitializeComponent();
        }

        protected async override void OnNavigatedTo(NavigationEventArgs e)
        {
            List<Task> tasks = new List<Task>();

            // 一共 100 个任务并行执行，每个任务均累加同一个静态变量 100000 次，以模拟并发访问静态变量的场景
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                Task task = Task.Run(
                    () =>
                    {
                        /******************有锁的逻辑开始******************/
                        try
                        {
                            // 通过 lock 锁住指定的对象以取得排它锁，在 lock 区域内的代码执行完毕后释放排它锁，排它锁释放之前其它进入到此的线程会排队等候
                            lock (_objLock)
                            {
                                for (int j = 0; j < 100000; j++)
                                {
                                    _countWithLock++;
                                }
                            }
                        }
                        finally { }
                        /******************有锁的逻辑结束******************/


                        /******************没锁的逻辑开始******************/
                        for (int j = 0; j < 100000; j++)
                        {
                            _countWithoutLock++;
                        }
                        /******************没锁的逻辑结束******************/
                    });

                tasks.Add(task);
            }

            // 等待所有任务执行完毕
            await Task.WhenAll(tasks);

            lblMsgWithoutLock.Text = "计数器（不带锁）结果：" + _countWithoutLock.ToString();
            lblMsgWithLock.Text = "计数器（带锁）结果：" + _countWithLock.ToString();
        }
    }
}


2、演示 Monitor 的使用
Thread/Lock/MonitorDemo.xaml

<Page
    x:Class="XamlDemo.Thread.Lock.MonitorDemo"
    xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
    xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
    xmlns:local="using:XamlDemo.Thread.Lock"
    xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"
    xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"
    mc:Ignorable="d">

    <Grid Background="Transparent">
        <StackPanel Margin="120 0 0 0">

            <TextBlock Name="lblMsg" FontSize="14.667" />

        </StackPanel>
    </Grid>
</Page>

Thread/Lock/MonitorDemo.xaml.cs

/*
 * 演示 Monitor 的使用
 * 
 * 本例说明：
 * 由于 Task 基于线程池，所以 task1 和 task2 的启动顺序是不一定的，以下步骤假定 task1 先执行，task2 后执行
 * 1、task1 取得排它锁
 * 2、task1 Monitor.Wait() - 释放排它锁，然后 task1 进入等待队列，可以为其指定一个超时时间，超过则进入就绪队列
 * 3、task2 取得排它锁
 * 4、task2 Monitor.Pulse() - 让等待队列中的一个线程进入就绪队列（Monitor.PulseAll() 的作用是将等待队列中的全部线程全部放入就绪队列）
 * 5、task1 进入就绪队列
 * 6、task2 Monitor.Wait() - 释放排它锁，然后 task2 进入等待队列
 * 7、task1 取得排它锁
 * 8、以上步骤不断往复
 * 
 * 注：
 * 1、Wait() 和 Pulse() 必须在 Enter() 和 Exit() 之间，或者在 lock(){ } 中
 * 2、只有就绪队列中的线程才能取得排它锁，等待队列中的线程是无法取得排它锁的
 */

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using Windows.UI.Xaml.Controls;
using Windows.UI.Xaml.Navigation;

namespace XamlDemo.Thread.Lock
{
    public sealed partial class MonitorDemo : Page
    {
        // 需要被 lock 的对象
        private static readonly object _objLock = new object();

        public MonitorDemo()
        {
            this.InitializeComponent();
        }

        protected async override void OnNavigatedTo(NavigationEventArgs e)
        {
            string result = "";

            // 在 task1 中执行则为 true，在 task2 中执行则为 false
            bool flag = true;

            Task task1 = Task.Run(
                () =>
                {
                    try
                    {
                        // 在指定的对象上取得排它锁
                        Monitor.Enter(_objLock);

                        for (int i = 0; i < 10; i++)
                        {
                            if (flag)
                                Monitor.Wait(_objLock); 

                            flag = true;

                            result += string.Format("task1 i:{0}, taskId:{1}", i, Task.CurrentId);
                            result += Environment.NewLine;

                            Monitor.Pulse(_objLock);
                        }
                    }
                    finally
                    {
                        // 在指定的对象上释放排它锁
                        Monitor.Exit(_objLock);
                    }
                });

            Task task2 = Task.Run(
                () =>
                {
                    try
                    {
                        // 在指定的对象上取得排它锁
                        Monitor.Enter(_objLock);

                        for (int i = 0; i < 10; i++)
                        {
                            if (!flag)
                                Monitor.Wait(_objLock);

                            flag = false;

                            result += string.Format("task2 i:{0}, taskId:{1}", i, Task.CurrentId);
                            result += Environment.NewLine;

                            Monitor.Pulse(_objLock);
                        }
                    }
                    finally
                    {
                        // 在指定的对象上释放排它锁
                        Monitor.Exit(_objLock);
                    }
                });

            await Task.WhenAll(task1, task2);

            lblMsg.Text = result;
        }
    }
}


3、演示 Interlocked 的使用
Thread/Lock/InterlockedDemo.xaml

<Page
    x:Class="XamlDemo.Thread.Lock.InterlockedDemo"
    xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
    xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
    xmlns:local="using:XamlDemo.Thread.Lock"
    xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"
    xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"
    mc:Ignorable="d">

    <Grid Background="Transparent">
        <StackPanel Margin="120 0 0 0">

            <TextBlock Name="lblMsgWithoutLock" FontSize="14.667" />
            <TextBlock Name="lblMsgWithLock" FontSize="14.667" />

        </StackPanel>
    </Grid>
</Page>

Thread/Lock/InterlockedDemo.xaml.cs

/*
 * 演示 Interlocked 的使用
 * 
 * Interlocked - 为多个线程共享的数字型变量提供原子操作，其提供了各种原子级的操作方法，如：增减变量、比较变量、指定变量的值
 * 
 * 注：
 * long Read(ref long location) - 用于在 32 位系统上以原子方式读取 64 位值（32 位系统访问 32 位值本身就是原子的，64 位系统访问 64 位值本身就是原子的）
 */

using System.Collections.Generic;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using Windows.UI.Xaml.Controls;
using Windows.UI.Xaml.Navigation;

namespace XamlDemo.Thread.Lock
{
    public sealed partial class InterlockedDemo : Page
    {
        private static int _countWithoutLock;
        private static int _countWithLock;

        public InterlockedDemo()
        {
            this.InitializeComponent();
        }

        protected async override void OnNavigatedTo(NavigationEventArgs e)
        {
            List<Task> tasks = new List<Task>();

            // 一共 100 个任务并行执行，每个任务均累加同一个静态变量 100000 次，以模拟并发访问静态变量的场景
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                Task task = Task.Run(
                    () =>
                    {
                        /******************有锁的逻辑开始******************/
                        for (int j = 0; j < 100000; j++)
                        {
                            // 原子方式让 _countWithLock 加 1
                            Interlocked.Increment(ref _countWithLock);
                        }
                        /******************有锁的逻辑结束******************/


                        /******************没锁的逻辑开始******************/
                        for (int j = 0; j < 100000; j++)
                        {
                            _countWithoutLock++;
                        }
                        /******************没锁的逻辑结束******************/
                    });

                tasks.Add(task);
            }

            await Task.WhenAll(tasks);

            lblMsgWithoutLock.Text = "计数器（不带锁）结果：" + _countWithoutLock.ToString();
            lblMsgWithLock.Text = "计数器（带锁）结果：" + _countWithLock.ToString();
        }
    }
}


4、演示 Mutex 的使用
Thread/Lock/MutexDemo.xaml

<Page
    x:Class="XamlDemo.Thread.Lock.MutexDemo"
    xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
    xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
    xmlns:local="using:XamlDemo.Thread.Lock"
    xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"
    xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"
    mc:Ignorable="d">

    <Grid Background="Transparent">
        <StackPanel Margin="120 0 0 0">

            <TextBlock Name="lblMsgWithoutLock" FontSize="14.667" />
            <TextBlock Name="lblMsgWithLock" FontSize="14.667" />

        </StackPanel>
    </Grid>
</Page>

Thread/Lock/MutexDemo.xaml.cs

/*
 * 演示 Mutex 的使用
 * 
 * Mutex - 互斥锁，主要用于同一系统内跨进程的互斥锁
 */

using System.Collections.Generic;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using Windows.UI.Xaml.Controls;
using Windows.UI.Xaml.Navigation;

namespace XamlDemo.Thread.Lock
{
    public sealed partial class MutexDemo : Page
    {
        private Mutex _mutex = new Mutex();

        private static int _countWithoutLock;
        private static int _countWithLock;

        public MutexDemo()
        {
            this.InitializeComponent();
        }

        protected async override void OnNavigatedTo(NavigationEventArgs e)
        {
            List<Task> tasks = new List<Task>();

            // 一共 100 个任务并行执行，每个任务均累加同一个静态变量 100000 次，以模拟并发访问静态变量的场景
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                Task task = Task.Run(
                    () =>
                    {
                        /******************有锁的逻辑开始******************/
                        // 当前线程拿到 Mutex，阻塞当前线程，可以指定阻塞的超时时间
                        _mutex.WaitOne(); 

                        for (int j = 0; j < 100000; j++)
                        {
                            _countWithLock++;
                        }

                        // 释放 Mutex
                        _mutex.ReleaseMutex();
                        /******************有锁的逻辑结束******************/


                        /******************没锁的逻辑开始******************/
                        for (int j = 0; j < 100000; j++)
                        {
                            _countWithoutLock++;
                        }
                        /******************没锁的逻辑结束******************/
                    });

                tasks.Add(task);
            }

            await Task.WhenAll(tasks);

            lblMsgWithoutLock.Text = "计数器（不带锁）结果：" + _countWithoutLock.ToString();
            lblMsgWithLock.Text = "计数器（带锁）结果：" + _countWithLock.ToString();
        }
    }
}


5、演示 ReaderWriterLockSlim 的使用
Thread/Lock/ReaderWriterLockDemo.xaml

<Page
    x:Class="XamlDemo.Thread.Lock.ReaderWriterLockDemo"
    xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
    xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
    xmlns:local="using:XamlDemo.Thread.Lock"
    xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"
    xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"
    mc:Ignorable="d">

    <Grid Background="Transparent">
        <StackPanel Margin="120 0 0 0">

            <TextBlock Name="lblMsgForRead" FontSize="14.667" />
            <TextBlock Name="lblMsgForWrite" FontSize="14.667" />

        </StackPanel>
    </Grid>
</Page>

Thread/Lock/ReaderWriterLockDemo.xaml.cs

/*
 * 演示 ReaderWriterLockSlim 的使用
 * 
 * ReaderWriterLock - 读写锁（WinRT 中不提供）
 * ReaderWriterLockSlim - 轻量级的 ReaderWriterLock
 *     支持进入/离开读锁，进入/离开写锁，读锁升级为写锁
 *     支持相关状态的获取，如：当前线程是否进入了读锁以及进入读锁的次数，是否进入了写锁以及进入写锁的次数，是否由读锁升级为了写锁以及由读锁升级为写锁的次数
 * 
 * 注：
 * 1、每次可以有多个线程进入读锁
 * 2、每次只能有一个线程进入写锁
 * 3、进入写锁后，无法进入读锁
 * 
 * 
 * 本例模拟了一个“高频率读，低频率写”的场景
 */

using System;
using System.Threading;
using Windows.System.Threading;
using Windows.UI.Xaml.Controls;
using Windows.UI.Xaml.Navigation;

namespace XamlDemo.Thread.Lock
{
    public sealed partial class ReaderWriterLockDemo : Page
    {
        ReaderWriterLockSlim _rwLock = new ReaderWriterLockSlim();

        public ReaderWriterLockDemo()
        {
            this.InitializeComponent();
        }

        protected override void OnNavigatedTo(NavigationEventArgs e)
        {
            ThreadPoolTimer.CreatePeriodicTimer(
                (timer) =>
                {
                    // 进入读锁
                    _rwLock.EnterReadLock();

                    OutMsgForRead("读：" + DateTime.Now.ToString("mm:ss.fff"));

                    // 离开读锁
                    _rwLock.ExitReadLock();
                },
                TimeSpan.FromMilliseconds(100));


            ThreadPoolTimer.CreatePeriodicTimer(
               (timer) =>
               {
                   // 进入写锁
                   _rwLock.EnterWriteLock();

                   new ManualResetEvent(false).WaitOne(3000); // 本线程停 3000 毫秒
                   OutMsgForWrite("写：" + DateTime.Now.ToString("mm:ss.fff"));

                   // 离开写锁
                   _rwLock.ExitWriteLock();
               },
               TimeSpan.FromMilliseconds(5000));
        }

        private async void OutMsgForRead(string msg)
        {
            await Dispatcher.RunAsync(
                Windows.UI.Core.CoreDispatcherPriority.High,
                () =>
                {
                    lblMsgForRead.Text = msg;
                });
        }

        private async void OutMsgForWrite(string msg)
        {
            await Dispatcher.RunAsync(
                Windows.UI.Core.CoreDispatcherPriority.High,
                () =>
                {
                    lblMsgForWrite.Text = msg;
                });
        }
    }
}



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