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2017
08-07

c#线程线程同步

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#》

最后编辑:
作者:
这个作者貌似有点懒,什么都没有留下。

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