c#.net多線程編程教學――線程同步
2020-01-24 03:49:07
供稿：網友
隨著對多線程學習的深入,你可能覺得需要了解一些有關線程共享資源的問題. .NET framework提供了很多的類和數據類型來控制對共享資源的訪問。
考慮一種我們經常遇到的情況：有一些全局變量和共享的類變量，我們需要從不同的線程來更新它們，可以通過使用System.Threading.Interlocked類完成這樣的任務，它提供了原子的，非模塊化的整數更新操作。
還有你可以使用System.Threading.Monitor類鎖定對象的方法的一段代碼，使其暫時不能被別的線程訪問。
System.Threading.WaitHandle類的實例可以用來封裝等待對共享資源的獨占訪問權的操作系統特定的對象。尤其對于非受管代碼的互操作問題。
System.Threading.Mutex用于對多個復雜的線程同步的問題，它也允許單線程的訪問。
像ManualResetEvent和AutoResetEvent這樣的同步事件類支持一個類通知其他事件的線程。
不討論線程的同步問題，等于對多線程編程知之甚少，但是我們要十分謹慎的使用多線程的同步。在使用線程同步時，我們事先就要要能夠正確的確定是那個對象和方法有可能造成死鎖（死鎖就是所有的線程都停止了相應，都在等者對方釋放資源）。還有贓數據的問題（指的是同一時間多個線程對數據作了操作而造成的不一致），這個不容易理解，這么說吧，有X和Y兩個線程，線程X從文件讀取數據并且寫數據到數據結構，線程Y從這個數據結構讀數據并將數據送到其他的計算機。假設在Y讀數據的同時，X寫入數據，那么顯然Y讀取的數據與實際存儲的數據是不一致的。這種情況顯然是我們應該避免發生的。少量的線程將使得剛才的問題發生的幾率要少的多，對共享資源的訪問也更好的同步。
.NET Framework的CLR提供了三種方法來完成對共享資源 ，諸如全局變量域，特定的代碼段，靜態的和實例化的方法和域。
?。?） 代碼域同步：使用Monitor類可以同步靜態/實例化的方法的全部代碼或者部分代碼段。不支持靜態域的同步。在實例化的方法中，this指針用于同步；而在靜態的方法中，類用于同步，這在后面會講到。
（2） 手工同步：使用不同的同步類（諸如WaitHandle, Mutex, ReaderWriterLock, ManualResetEvent, AutoResetEvent 和Interlocked等）創建自己的同步機制。這種同步方式要求你自己手動的為不同的域和方法同步，這種同步方式也可以用于進程間的同步和對共享資源的等待而造成的死鎖解除。
?。?） 上下文同步：使用SynchronizationAttribute為ContextBoundObject對象創建簡單的，自動的同步。這種同步方式僅用于實例化的方法和域的同步。所有在同一個上下文域的對象共享同一個鎖。
Monitor Class
在給定的時間和指定的代碼段只能被一個線程訪問，Monitor 類非常適合于這種情況的線程同步。這個類中的方法都是靜態的，所以不需要實例化這個類。下面一些靜態的方法提供了一種機制用來同步對象的訪問從而避免死鎖和維護數據的一致性。
Monitor.Enter 方法：在指定對象上獲取排他鎖。
Monitor.TryEnter 方法：試圖獲取指定對象的排他鎖。
Monitor.Exit 方法：釋放指定對象上的排他鎖。
Monitor.Wait 方法：釋放對象上的鎖并阻塞當前線程，直到它重新獲取該鎖。
Monitor.Pulse 方法：通知等待隊列中的線程鎖定對象狀態的更改。
Monitor.PulseAll 方法：通知所有的等待線程對象狀態的更改。
通過對指定對象的加鎖和解鎖可以同步代碼段的訪問。Monitor.Enter, Monitor.TryEnter 和 Monitor.Exit用來對指定對象的加鎖和解鎖。一旦獲?。ㄕ{用了Monitor.Enter）指定對象（代碼段）的鎖，其他的線程都不能獲取該鎖。舉個例子來說吧，線程X獲得了一個對象鎖，這個對象鎖可以釋放的（調用Monitor.Exit(object) or Monitor.Wait）。當這個對象鎖被釋放后，Monitor.Pulse方法和 Monitor.PulseAll方法通知就緒隊列的下一個線程進行和其他所有就緒隊列的線程將有機會獲取排他鎖。線程X釋放了鎖而線程Y獲得了鎖，同時調用Monitor.Wait的線程X進入等待隊列。當從當前鎖定對象的線程（線程Y）受到了Pulse或PulseAll，等待隊列的線程就進入就緒隊列。線程X重新得到對象鎖時，Monitor.Wait才返回。如果擁有鎖的線程（線程Y）不調用Pulse或PulseAll，方法可能被不確定的鎖定。Pulse, PulseAll and Wait必須是被同步的代碼段鄂被調用。對每一個同步的對象，你需要有當前擁有鎖的線程的指針，就緒隊列和等待隊列（包含需要被通知鎖定對象的狀態變化的線程）的指針。
你也許會問，當兩個線程同時調用Monitor.Enter會發生什么事情？無論這兩個線程地調用Monitor.Enter是多么地接近，實際上肯定有一個在前，一個在后，因此永遠只會有一個獲得對象鎖。既然Monitor.Enter是原子操作，那么CPU是不可能偏好一個線程而不喜歡另外一個線程的。為了獲取更好的性能，你應該延遲后一個線程的獲取鎖調用和立即釋放前一個線程的對象鎖。對于private和internal的對象，加鎖是可行的，但是對于external對象有可能導致死鎖，因為不相關的代碼可能因為不同的目的而對同一個對象加鎖。
如果你要對一段代碼加鎖，最好的是在try語句里面加入設置鎖的語句，而將Monitor.Exit放在finally語句里面。對于整個代碼段的加鎖，你可以使用MethodImplAttribute（在System.Runtime.CompilerServices命名空間）類在其構造器中設置同步值。這是一種可以替代的方法，當加鎖的方法返回時，鎖也就被釋放了。如果需要要很快釋放鎖，你可以使用Monitor類和C# lock的聲明代替上述的方法。
讓我們來看一段使用Monitor類的代碼：
public void some_method()
{
int a=100;
int b=0;
Monitor.Enter(this);
//say we do something here.
int c=a/b;
Monitor.Exit(this);
}
上面的代碼運行會產生問題。當代碼運行到int c=a/b; 的時候，會拋出一個異常，Monitor.Exit將不會返回。因此這段程序將掛起，其他的線程也將得不到鎖。有兩種方法可以解決上面的問題。第一個方法是：將代碼放入try…finally內，在finally調用Monitor.Exit，這樣的話最后一定會釋放鎖。第二種方法是：利用C#的lock（）方法。調用這個方法和調用Monitoy.Enter的作用效果是一樣的。但是這種方法一旦代碼執行超出范圍，釋放鎖將不會自動的發生。見下面的代碼:
public void some_method()
{
int a=100;
int b=0;
lock(this);
//say we do something here.
int c=a/b;
}
C# lock申明提供了與Monitoy.Enter和Monitoy.Exit同樣的功能，這種方法用在你的代碼段不能被其他獨立的線程中斷的情況。
WaitHandle Class
WaitHandle類作為基類來使用的，它允許多個等待操作。這個類封裝了win32的同步處理方法。WaitHandle對象通知其他的線程它需要對資源排他性的訪問，其他的線程必須等待，直到WaitHandle不再使用資源和等待句柄沒有被使用。下面是從它繼承來的幾個類：
Mutex 類：同步基元也可用于進程間同步。
AutoResetEvent：通知一個或多個正在等待的線程已發生事件。無法繼承此類。
ManualResetEvent：當通知一個或多個正在等待的線程事件已發生時出現。無法繼承此類。
這些類定義了一些信號機制使得對資源排他性訪問的占有和釋放。他們有兩種狀態：signaled 和 nonsignaled。Signaled狀態的等待句柄不屬于任何線程，除非是nonsignaled狀態。擁有等待句柄的線程不再使用等待句柄時用set方法，其他的線程可以調用Reset方法來改變狀態或者任意一個WaitHandle方法要求擁有等待句柄，這些方法見下面：
WaitAll：等待指定數組中的所有元素收到信號。
WaitAny：等待指定數組中的任一元素收到信號。
WaitOne：當在派生類中重寫時，阻塞當前線程，直到當前的 WaitHandle 收到信號。
這些wait方法阻塞線程直到一個或者更多的同步對象收到信號。
WaitHandle對象封裝等待對共享資源的獨占訪問權的操作系統特定的對象無論是收管代碼還是非受管代碼都可以使用。但是它沒有Monitor使用輕便，Monitor是完全的受管代碼而且對操作系統資源的使用非常有效率。
Mutex Class
Mutex是另外一種完成線程間和跨進程同步的方法，它同時也提供進程間的同步。它允許一個線程獨占共享資源的同時阻止其他線程和進程的訪問。Mutex的名字就很好的說明了它的所有者對資源的排他性的占有。一旦一個線程擁有了Mutex，想得到Mutex的其他線程都將掛起直到占有線程釋放它。Mutex.ReleaseMutex方法用于釋放Mutex，一個線程可以多次調用wait方法來請求同一個Mutex，但是在釋放Mutex的時候必須調用同樣次數的Mutex.ReleaseMutex。如果沒有線程占有Mutex，那么Mutex的狀態就變為signaled，否則為nosignaled。一旦Mutex的狀態變為signaled，等待隊列的下一個線程將會得到Mutex。Mutex類對應與win32的CreateMutex，創建Mutex對象的方法非常簡單，常用的有下面幾種方法：
一個線程可以通過調用WaitHandle.WaitOne 或 WaitHandle.WaitAny 或 WaitHandle.WaitAll得到Mutex的擁有權。如果Mutex不屬于任何線程，上述調用將使得線程擁有Mutex，而且WaitOne會立即返回。但是如果有其他的線程擁有Mutex，WaitOne將陷入無限期的等待直到獲取Mutex。你可以在WaitOne方法中指定參數即等待的時間而避免無限期的等待Mutex。調用Close作用于Mutex將釋放擁有。一旦Mutex被創建，你可以通過GetHandle方法獲得Mutex的句柄而給WaitHandle.WaitAny 或 WaitHandle.WaitAll 方法使用。
下面是一個示例：
public void some_method()
{
int a=100;
int b=20;
Mutex firstMutex = new Mutex(false);
FirstMutex.WaitOne();
//some kind of processing can be done here.
Int x=a/b;
FirstMutex.Close();
}
在上面的例子中，線程創建了Mutex，但是開始并沒有申明擁有它，通過調用WaitOne方法擁有Mutex。
Synchronization Events
同步時間是一些等待句柄用來通知其他的線程發生了什么事情和資源是可用的。他們有兩個狀態：signaled and nonsignaled。AutoResetEvent 和 ManualResetEvent就是這種同步事件。
AutoResetEvent Class
這個類可以通知一個或多個線程發生事件。當一個等待線程得到釋放時，它將狀態轉換為signaled。用set方法使它的實例狀態變為signaled。但是一旦等待的線程被通知時間變為signaled，它的轉臺將自動的變為nonsignaled。如果沒有線程偵聽事件，轉臺將保持為signaled。此類不能被繼承。
ManualResetEvent Class
這個類也用來通知一個或多個線程事件發生了。它的狀態可以手動的被設置和重置。手動重置時間將保持signaled狀態直到ManualResetEvent.Reset設置其狀態為nonsignaled，或保持狀態為nonsignaled直到ManualResetEvent.Set設置其狀態為signaled。這個類不能被繼承。
Interlocked Class
它提供了在線程之間共享的變量訪問的同步，它的操作時原子操作，且被線程共享.你可以通過Interlocked.Increment 或 Interlocked.Decrement來增加或減少共享變量.它的有點在于是原子操作,也就是說這些方法可以代一個整型的參數增量并且返回新的值,所有的操作就是一步.你也可以使用它來指定變量的值或者檢查兩個變量是否相等,如果相等,將用指定的值代替其中一個變量的值.
ReaderWriterLock class
它定義了一種鎖,提供唯一寫/多讀的機制,使得讀寫的同步.任意數目的線程都可以讀數據,數據鎖在有線程更新數據時將是需要的.讀的線程可以獲取鎖,當且僅當這里沒有寫的線程.當沒有讀線程和其他的寫線程時,寫線程可以得到鎖.因此,一旦writer-lock被請求,所有的讀線程將不能讀取數據直到寫線程訪問完畢.它支持暫停而避免死鎖.它也支持嵌套的讀/寫鎖.支持嵌套的讀鎖的方法是ReaderWriterLock.AcquireReaderLock,如果一個線程有寫鎖則該線程將暫停;
支持嵌套的寫鎖的方法是ReaderWriterLock.AcquireWriterLock,如果一個線程有讀鎖則該線程暫停.如果有讀鎖將容易倒是死鎖.安全的辦法是使用ReaderWriterLock.UpgradeToWriterLock方法,這將使讀者升級到寫者.你可以用ReaderWriterLock.DowngradeFromWriterLock方法使寫者降級為讀者.調用ReaderWriterLock.ReleaseLock將釋放鎖, ReaderWriterLock.RestoreLock將重新裝載鎖的狀態到調用ReaderWriterLock.ReleaseLock以前.
結論:
這部分講述了.NET平臺上的線程同步的問題.造接下來的系列文章中我將給出一些例子來更進一步的說明這些使用的方法和技巧.雖然線程同步的使用會給我們的程序帶來很大的價值,但是我們最好能夠小心使用這些方法.否則帶來的不是受益,而將倒是性能下降甚至程序崩潰.只有大量的聯系和體會才能使你駕馭這些技巧.盡量少使用那些在同步代碼塊完成不了或者不確定的阻塞的東西,尤其是I/O操作;盡可能的使用局部變量來代替全局變量;同步用在那些部分代碼被多個線程和進程訪問和狀態被不同的進程共享的地方;安排你的代碼使得每一個數據在一個線程里得到精確的控制;不是共享在線程之間的代碼是安全的;在下一篇文章中我們將學習線程池有關的知識.
