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C# 實現多線程的同步方法詳解

本文主要描述在C#中線程同步的方法。線程的基本概念網上資料也很多就不再贅述了。直接接入主題，在多線程開發的應用中，線程同步是不可避免的。在.Net框架中，實現線程同步主要通過以下的幾種方式來實現，在MSDN的線程指南中已經講了幾種，本文結合作者實際中用到的方式一起說明一下。

1. 維護自由鎖(InterLocked)實現同步

2. 監視器（Monitor）和互斥鎖（lock）

3. 讀寫鎖（ReadWriteLock)

4. 系統內核對象

1) 互斥(Mutex), 信號量(Semaphore), 事件(AutoResetEvent/ManualResetEvent)

2) 線程池

除了以上的這些對象之外實現線程同步的還可以使用Thread.Join方法。這種方法比較簡單，當你在第一個線程運行時想等待第二個線程執行結果，那么你可以讓第二個線程Join進來就可以了。

自由鎖(InterLocked)

對一個32位的整型數進行遞增和遞減操作來實現鎖，有人會問為什么不用++或--來操作。因為在多線程中對鎖進行操作必須是原子的，而++和--不具備這個能力。InterLocked類還提供了兩個另外的函數Exchange, CompareExchange用于實現交換和比較交換。Exchange操作會將新值設置到變量中并返回變量的原來值: int oVal = InterLocked.Exchange(ref val, 1)。

監視器(Monitor)

在MSDN中對Monitor的描述是: Monitor 類通過向單個線程授予對象鎖來控制對對象的訪問。

Monitor類是一個靜態類因此你不能通過實例化來得到類的對象。Monitor 的成員可以查看MSDN，基本上Monitor的效果和lock是一樣的，通過加鎖操作Enter設置臨界區，完成操作后使用Exit操作來釋放對象鎖。不過相對來說Monitor的功能更強，Moniter可以進行測試鎖的狀態，因此你可以控制對臨界區的訪問選擇，等待or離開, 而且Monitor還可以在釋放鎖之前通知指定的對象，更重要的是使用Monitor可以跨越方法來操作。Monitor提供的方法很少就只有獲取鎖的方法Enter, TryEnter；釋放鎖的方法Wait, Exit；還有消息通知方法Pulse, PulseAll。經典的Monitor操作是這樣的：

// 通監視器來創建臨界區 
        static public void DelUser(string name)
        {
            try
            {
                // 等待線程進入 
                Monitor.Enter(Names);
                Names.Remove(name);
                Console.WriteLine("Del: {0}", Names.Count);
                Monitor.Pulse(Names);
            }
            finally
            {
                // 釋放對象鎖 
                Monitor.Exit(Names);
            }
        } 
    }

其中Names是一個List, 這里有一個小技巧，如果你想聲明整個方法為線程同步可以使用方法屬性：

// 通過屬性設置整個方法為臨界區 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)] 
        static public void AddUser(string name) 
        { 
            Names.Add(name); 
            Console.WriteLine("Add: {0}",Names.Count); 
        }

對于Monitor的使用有一個方法是比較詭異的，那就是Wait方法。在MSDN中對Wait的描述是: 釋放對象上的鎖以便允許其他線程鎖定和訪問該對象。

這里提到的是先釋放鎖，那么顯然我們需要先得到鎖，否則調用Wait會出現異常，所以我們必須在Wait前面調用Enter方法或其他獲取鎖的方法，如lock，這點很重要。對應Enter方法，Monitor給出來另一種實現 TryEnter。這兩種方法的主要區別在于是否阻塞當前線程，Enter方法在獲取不到鎖時，會阻塞當前線程直到得到鎖。不過缺點是如果永遠得不到鎖那么程序就會進入死鎖狀態。我們可以采用Wait來解決，在調用Wait時加入超時時限就可以。

if (Monitor.TryEnter(Names))
            {
                Monitor.Wait(Names, 1000); // !! 
                Names.Remove(name); 
                Console.WriteLine("Del: {0}", Names.Count);
                Monitor.Pulse(Names); 
            }

互斥鎖(lock)

lock關鍵字是實現線程同步的比較簡單的方式，其實就是設置一個臨界區。在 lock之后的{...}區塊為一個臨界區，當進入臨界區時加互斥鎖，離開臨界區時釋放互斥鎖。MSDN對lock關鍵字的描述是: lock 關鍵字可將語句塊標記為臨界區，方法是獲取給定對象的互斥鎖，執行語句，然后釋放該鎖。

具體例子如下:

static public void ThreadFunc(object name)
        {
            string str = name as string;
            Random rand = new Random();
            int count = rand.Next(100, 200);
            for (int i = 0; i < count; i++)
            {
                lock (NumList)
                {
                    NumList.Add(i);
                    Console.WriteLine("{0} {1}", str, i);
                }
            }
        }

對lock的使用有幾點建議：對實例鎖定lock(this),對靜態變量鎖定lock(typeof(val))。lock的對象訪問權限最好是private，否則會出現失去訪問控制現象。

讀寫鎖（ReadWriteLock)

讀寫鎖的出現主要是在很多情況下，我們讀資源的操作要多于寫資源的操作。但是如果每次只對資源賦予一個線程的訪問權限顯然是低效的，讀寫鎖的優勢是同時可以有多個線程對同一資源進行讀操作。因此在讀操作比寫操作多很多，并且寫操作的時間很短的情況下使用讀寫鎖是比較有效率的。讀寫鎖是一個非靜態類所以你在使用前需要先聲明一個讀寫鎖對象：

static private ReaderWriterLock _rwlock = new ReaderWriterLock();

讀寫鎖是通過調用AcquireReaderLock，ReleaseReaderLock，AcquireWriterLock，ReleaseWriterLock來完成讀鎖和寫鎖控制的

static public void ReaderThread(int thrdId) 
        { 
            try 
            { // 請求讀鎖，如果100ms超時退出 
                _rwlock.AcquireReaderLock(10); 
                try 
                { 
                    int inx = _rand.Next(_list.Count); 
                    if (inx < _list.Count) 
                        Console.WriteLine("{0}thread {1}", thrdId, _list[inx]); 
                } 
                finally 
                {
                    _rwlock.ReleaseReaderLock(); 
                } 
            } 
            catch (ApplicationException) // 如果請求讀鎖失敗 
            { 
                Console.WriteLine("{0}thread get reader lock out time!", thrdId); 
            } 
        } 
        static public void WriterThread() 
        { 
            try 
            {
                // 請求寫鎖 
                _rwlock.AcquireWriterLock(100); 
                try 
                { 
                    string val = _rand.Next(200).ToString(); 
                    _list.Add(val); // 寫入資源 
                    Console.WriteLine("writer thread has written {0}", val); 
                } 
                finally 
                { // 釋放寫鎖 
                    _rwlock.ReleaseWriterLock(); 
                } 
            } 
            catch (ApplicationException) 
            { 
                Console.WriteLine("Get writer thread lock out time!"); 
            } 
        }

如果你想在讀的時候插入寫操作請使用UpgradeToWriterLock和DowngradeFromWriterLock來進行操作，而不是釋放讀鎖。

static private void UpgradeAndDowngrade(int thrdId) 
        { 
            try 
            { 
                _rwlock.AcquireReaderLock(10); 
                try 
                { 
                    try 
                    {
                        // 提升讀鎖到寫鎖 
                        LockCookie lc = _rwlock.UpgradeToWriterLock(100);
                        try
                        {
                            string val = _rand.Next(500).ToString();

                            _list.Add(val); Console.WriteLine
("Upgrade Thread{0} add {1}", thrdId, val); 
                        } 
                        finally
                        { // 下降寫鎖 
                            _rwlock.DowngradeFromWriterLock(ref lc); 
                        } 
                    } 
                    catch (ApplicationException)
                    { 
                        Console.WriteLine("{0}thread upgrade reader lock failed!", thrdId); 
                    } 
                } 
                finally 
                {
                    // 釋放原來的讀鎖 
                    _rwlock.ReleaseReaderLock();
                }
            } 
            catch (ApplicationException) 
            { 
                Console.WriteLine("{0}thread get reader lock out time!", thrdId);
            }
        }

這里有一點要注意的就是讀鎖和寫鎖的超時等待時間間隔的設置。通常情況下設置寫鎖的等待超時要比讀鎖的長，否則會經常發生寫鎖等待失敗的情況。

系統內核對象互斥對象（Mutex）

互斥對象的作用有點類似于監視器對象，確保一個代碼塊在同一時刻只有一個線程在執行。互斥對象和監視器對象的主要區別就是，互斥對象一般用于跨進程間的線程同步，而監視器對象則用于進程內的線程同步?；コ鈱ο笥袃煞N：一種是命名互斥；另一種是匿名互斥。在跨進程中使用到的就是命名互斥，一個已命名的互斥就是一個系統級的互斥，它可以被其他進程所使用，只要在創建互斥時指定打開互斥的名稱就可以。在.Net中互斥是通過Mutex類來實現。

其實對于OpenExisting函數有兩個重載版本，

Mutex.OpenExisting (String)

Mutex.OpenExisting (String, MutexRights)

對于默認的第一個函數其實是實現了第二個函數 MutexRights.Synchronize|MutexRights.Modify操作。

由于監視器的設計是基于.Net框架，而Mutex類是系統內核對象封裝了win32的一個內核結構來實現互斥，并且互斥操作需要請求中斷來完成，因此在進行進程內線程同步的時候性能上要比互斥要好。

典型的使用Mutex同步需要完成三個步驟的操作：1.打開或者創建一個Mutex實例；2.調用WaitOne()來請求互斥對象；3.最后調用ReleaseMutex來釋放互斥對象。

static public void AddString(string str) 
        {
            // 設置超時時限并在wait前退出非默認托管上下文 
            if (_mtx.WaitOne(1000, true))
            {
                _resource.Add(str); 
                _mtx.ReleaseMutex(); 
            } 
        }

需要注意的是，WaitOne和ReleaseMutex必須成對出現，否則會導致進程死鎖的發生，這時系統（.Net2.0）框架會拋出AbandonedMutexException異常。

信號量(Semaphore)

信號量就像一個夜總會：它有確切的容量，并被保鏢控制。一旦滿員，就沒有人能再進入，其他人必須在外面排隊。那么在里面離開一個人后，隊頭的人就可以進入。信號量的構造函數需要提供至少兩個參數-現有的人數和最大的人數。

信號量的行為有點類似于Mutex或是lock，但是信號量沒有擁有者。任意線程都可以調用Release來釋放信號量而不像Mutex和lock那樣需要線程得到資源才能釋放。

class SemaphoreTest 
    {
        static Semaphore s = new Semaphore(3, 3); // 當前值=3; 容量=3 
        static void Main() 
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++) 
                new Thread(Go).Start(); 
        } 
        static void Go()
        {
            while (true)
            {
                s.WaitOne();
                Thread.Sleep(100); // 一次只有個線程能被處理 
                s.Release(); 
            } 
        }
    }  

事件(ManualResetEvent/AutoResetEvent)    
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AutoResetEvent

一個AutoResetEvent象是一個"檢票輪盤"：插入一張通行證然后讓一個人通過。"auto"的意思就是這個"輪盤"自動關閉或者打開讓某人通過。線程將在調用WaitOne后進行等待或者是阻塞，并且通過調用Set操作來插入線程。如果一堆線程調用了WaitOne操作，那么"輪盤"就會建立一個等待隊列。一個通行證可以來自任意一個線程，換句話說任意一個線程都可以通過訪問AutoResetEvent對象并調用Set來釋放一個阻塞的線程。

如果在Set被調用的時候沒有線程等待，那么句柄就會一直處于打開狀態直到有線程調用了WaitOne操作。這種行為避免了競爭條件-當一個線程還沒來得急釋放而另一個線程就開始進入的情況。因此重復的調用Set操作一個"輪盤"哪怕是沒有等待線程也不會一次性的讓所有線程進入。

WaitOne操作接受一個超時參數-當發生等待超時的時候，這個方法會返回一個 false。當已有一個線程在等待的時候，WaitOne操作可以指定等待還是退出當前同步上下文。Reset操作提供了關閉"輪盤"的操作。 AutoResetEvent能夠通過兩個方法來創建: 1.調用構造函數 EventWaitHandle wh = new AutoResetEvent (false); 如果boolean值為true，那么句柄的Set操作將在創建后自動被調用；2. 通過基類EventWaitHandle方式 EventWaitHandle wh = new EventWaitHandle (false, EventResetMode.Auto); EventWaitHandle構造函數允許創建一個ManualResetEvent。人們應該通過調用Close來釋放一個Wait Handle在它不再使用的時候。當在應用程序的生存期內Wait handle繼續被使用，那么如果遺漏了Close這步，在應用程序關閉的時候也會被自動釋放。

class BasicWaitHandle 
    {
        static EventWaitHandle wh = new AutoResetEvent(false);
        static void Main()
        {
            new Thread(Waiter).Start();
            Thread.Sleep(1000); // 等待一會兒 
            wh.Set(); // 喚醒 
        } 
        static void Waiter()
        {
            Console.WriteLine("Waiting...");
            wh.WaitOne(); // 等待喚醒 
            Console.WriteLine("Notified"); 
        }
    }

ManualResetEvent

ManualResetEvent是AutoResetEvent的一個特例。它的不同之處在于在線程調用WaitOne后不會自動的重置狀態。它的工作機制有點象是開關：調用Set打開并允許其他線程進行WaitOne；調用 Reset關閉那么排隊的線程就要等待，直到下一次打開。可以使用一個帶volatile聲明的boolean字段來模擬間斷休眠 - 通過重復檢測標志，然后休眠一小段時間。

ManualResetEvent常常被用于協助完成一個特殊的操作，或者讓一個線程在開始工作前完成初始化。

線程池(Thread Pooling)

如果你的應用程序擁有大量的線程并花費大量的時間阻塞在一個Wait Handle上，那么你要考慮使用線程池(Thead pooling)來處理。線程池通過合并多個Wait Handle來節約等待的時間。當Wait Handle被激活時，使用線程池你需要注冊一個Wait Handle到一個委托去執行。通過調用ThreadPool.RegisterWaitForSingleObject方法：

class Test 
    {
        static ManualResetEvent starter = new ManualResetEvent(false); 
        public static void Main()
        {
            ThreadPool.RegisterWaitForSingleObject(starter, Go, "hello", -1, true);
            Thread.Sleep(5000);
            Console.WriteLine("Signaling worker...");
            starter.Set(); 
            Console.ReadLine();
        }
        public static void Go(object data, bool timedOut) 
        {
            Console.WriteLine("Started " + data); // Perform task... 
        }
    }

對于Wait Handle和委托，RegisterWaitForSingleObject接受一個"黑盒"對象并傳遞給你的委托（就像 ParameterizedThreadStart），超時設置和boolean標志指示了關閉和循環的請求。所有進入池中的線程都被認為是后臺線程，這就意味著它們不再由應用程序控制，而是由系統控制直到應用程序退出。

注意：如果這時候調用Abort操作，可能會發生意想不到的情況。

你也可以通過調用QueueUserWorkItem方法使用線程池，指定委托并立即被執行。這時你不能在多任務情況下保存共享線程，但是可以得到另外的好處：線程池會保持一個線程的總容量，當作業數超出容量時自動插入任務。

class Test 
    {
        static object workerLocker = new object();
        static int runningWorkers = 100;
        public static void Main() 
        {
            for (int i = 0; i < runningWorkers; i++) 
            {
                ThreadPool.QueueUserWorkItem(Go, i); 
            }
            Console.WriteLine("Waiting for threads to complete..."); 
            lock (workerLocker) 
            {
                while (runningWorkers > 0) 
                    Monitor.Wait(workerLocker);
            }
            Console.WriteLine("Complete!");
            Console.ReadLine(); 
        }
        public static void Go(object instance) 
        {
            Console.WriteLine("Started: " + instance);
            Thread.Sleep(1000); 
            Console.WriteLine("Ended: " + instance); 
            lock (workerLocker)
            {
                runningWorkers--;
                Monitor.Pulse(workerLocker);
            }
        }
    }

為了傳遞多個對象到目標方法，你必須定義一個客戶對象并包含所有屬性或通過調用異步的委托。如Go方法接受兩參數：

ThreadPool.QueueUserWorkItem (delegate (object notUsed) { Go (23,34); });

其他的方法可以使用異步委托。

posted on 2011-03-20 22:48 鋼鋼閱讀(11920) 評論(4) 收藏舉報

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