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#》
