C#多線程編程中的鎖系統（三）

2020-01-24 02:00:48

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供稿：網友

本章主要說下基于內核模式構造的線程同步方式，事件，信號量。

一：理論
二：WaitHandle
三：AutoResetEvent
四：ManualResetEvent
五：總結

一：理論

我們曉得線程同步可分為，用戶模式構造和內核模式構造。

內核模式構造：是由windows系統本身使用，內核對象進行調度協助的。內核對象是系統地址空間中的一個內存塊，由系統創建維護。

　　內核對象為內核所擁有，而不為進程所擁有，所以不同進程可以訪問同一個內核對象, 如進程，線程，作業，事件，文件，信號量，互斥量等都是內核對象。

　　而信號量，互斥體，事件是windows專門用來幫助我們進行線程同步的內核對象。

　　對于線程同步操作來說，內核對象只有2個狀態，觸發(終止，true)、未觸發(非終止，false)。未觸發不可調度，觸發可調度。

用戶模式構造：是由特殊CPU指令來協調線程，上節講的volatile實現就是一種，Interlocked也是。也可稱為非阻塞線程同步。

二：WaitHandle

在windows編程中，我們通過API創建一個內核對象后會返回一個句柄，句柄則是每個進程句柄表的索引，而后可以拿到內核對象的指針、掩碼、標示等。

而WaitHandle抽象基類類作用是包裝了一個windows內核對象的句柄。我們來看下其中一個WaitOne的函數源碼(略精簡)。

復制代碼代碼如下:

public virtual bool WaitOne(TimeSpan timeout)
        {
            return WaitOne(timeout, false);
        }

        [System.Security.SecuritySafeCritical] // auto-generated
        [SuppressMessage("Microsoft.Concurrency", "CA8001", Justification = "Reviewed for thread-safety.")]
        private bool WaitOne(long timeout, bool exitContext)
        {
            return InternalWaitOne(safeWaitHandle, timeout, hasThreadAffinity, exitContext);
        }
        [System.Security.SecurityCritical]
        internal static bool InternalWaitOne(SafeHandle waitableSafeHandle, long millisecondsTimeout, bool hasThreadAffinity, bool exitContext)
        {
            Contract.EndContractBlock();
            int ret = WaitOneNative(waitableSafeHandle, (uint)millisecondsTimeout, hasThreadAffinity, exitContext);

            if (ret == WAIT_ABANDONED)
            {
                ThrowAbandonedMutexException();
            }
            return (ret != WaitTimeout);
        }
        //調用win32 waitforsingleobjectEx
        [System.Security.SecurityCritical]
        [ResourceExposure(ResourceScope.None)]
        [MethodImplAttribute(MethodImplOptions.InternalCall)]
        private static extern int WaitOneNative(SafeHandle waitableSafeHandle, uint millisecondsTimeout, bool hasThreadAffinity, bool exitContext);

WaitAll 和WaitAny 調用win32中，waitformultipleobjectsEx函數。

SignalAndWaitOne 調用win32中，signalandwait函數。

調用api帶ex都是設置超時的。如果我們在c#中不傳，默認是-1 表示無限期等待。

其中SafeWaitHandle字段，包含了一個win32內核對象句柄。

理解了WaitHandle其他都好辦了，我們來看下它的派生類型。

復制代碼代碼如下:

WaitHandle
　　|――EventWaitHandle                  事件構造。
　　　　|――AutoResetEvent
　　　　|――ManualResetEvent
　　|――Semaphore                         信號量構造。
　　|――Mutex                                 互斥體構造。

其中Semaphore和mutex第一章已經說過了，下面來看看其他的。

三：AutoResetEvent

使用示例如下，有簡單注釋。關于描述，盡量貼近系統自身術語。

復制代碼代碼如下:

static void Main(string[] args)
        {
            //AutoResetEvent example
            //AutoResetEvent 通知正在等待的線程已發生的事件。
            AutoResetEvent waitHandler = new AutoResetEvent(false);//false 即非終止，未觸發。
            new Thread(() =>
            {
                waitHandler.WaitOne(); //阻塞當前線程，等待底層內核對象收到信號。
                Console.WriteLine("接收到信號，開始處理。");

            }).Start();
            new Thread(() =>
            {
                Thread.Sleep(2000);
                Console.WriteLine("發信號");
                waitHandler.Set();    //向內核對象發送信號。設置事件對象為非終止狀態、false，解除阻塞。

            }).Start();
            //waitHandler.Close(); //釋放句柄資源。
            //waitHandler.Reset(); //手動設置事件為非終止狀態、false，線程阻止。
            Console.ReadLine();
        }

WaitOne 阻塞線程，非自旋。

Set() 發出一個信號后，設置事件狀態為false。這本應該是2步的操作，AutoResetEvent.set()函數，給2步一起自動做了，很方便。

四：ManualResetEvent

這個和上面基本一樣，從字面來說需要手動重置狀態，我們來看例子。

復制代碼代碼如下:

ManualResetEvent manualWaitHandler = new ManualResetEvent(false);//false 即非終止，未觸發。
            new Thread(() =>
            {
                manualWaitHandler.WaitOne(); //阻塞當前線程對象，等待信號。
                Console.WriteLine("接收到信號，開始處理。");

                manualWaitHandler.Reset(); //手動設置事件對象狀態為非終止狀態，false。
                manualWaitHandler.WaitOne(); //這里直接阻塞等待無效，因為事件對象還是true，必須手動調reset。
                Console.WriteLine("第二次接收到信號，開始處理。");

            }).Start();
            new Thread(() =>
            {
                Thread.Sleep(2000);
                Console.WriteLine("發信號");
                manualWaitHandler.Set();    //向事件對象發送ok信號。。

                Thread.Sleep(2000);
                Console.WriteLine("第二次發信號");
                manualWaitHandler.Set();
            }).Start();
            Console.ReadLine();

這2則區別很小，其實是系統Api的區分，不是net類庫實現的。

在Win32Native類中，我可以看到KERNEL32 api 有這么個參數isManualReset。

復制代碼代碼如下:

 [DllImport(KERNEL32, SetLastError=true, CharSet=CharSet.Auto, BestFitMapping=false)]
        [ResourceExposure(ResourceScope.Machine)] // Machine or none based on the value of "name"
        internal static extern SafeWaitHandle CreateEvent(SECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes, bool isManualReset, bool initialState, String name);

五：總結

基于內核模式構造的同步步驟是：托管代碼->用戶模式代碼->內核模式代碼。

用戶模式構造，是利用CPU特殊指令，進行原子操作。

用戶模式代碼，如圖。是指托管代碼調用 win32代碼這一層，之后在調內核模式代碼。