单个写入程序/多个阅读程序的线程同步问题

       单个写入程序/多个阅读程序在.Net类库中其实已经提供了实现，即System.Threading.ReaderWriterLock类。本文通过对常见的单个写入/多个阅读程序的分析来探索c#的多线程编程。

　　所谓单个写入程序/多个阅读程序的线程同步问题，是指任意数量的线程访问共享资源时，写入程序（线程）需要修改共享资源，而阅读程序（线程）需要读取数据。在这个同步问题中，很容易得到下面二个要求：

　　1） 当一个线程正在写入数据时，其他线程不能写，也不能读。

　　2） 当一个线程正在读入数据时，其他线程不能写，但能够读。

　　在数据库应用程序环境中经常遇到这样的问题。比如说，有n个最终用户，他们都要同时访问同一个数据库。其中有m个用户要将数据存入数据库，n-m个用户要读取数据库中的记录。

　　很显然，在这个环境中，我们不能让两个或两个以上的用户同时更新同一条记录，如果两个或两个以上的用户都试图同时修改同一记录，那么该记录中的信息就会被破坏。

　　我们也不让一个用户更新数据库记录的同时，让另一用户读取记录的内容。因为读取的记录很有可能同时包含了更新和没有更新的信息，也就是说这条记录是无效的记录。

　　实现分析

　　规定任一线程要对资源进行写或读操作前必须申请锁。根据操作的不同，分为阅读锁和写入锁，操作完成之后应释放相应的锁。将单个写入程序/多个阅读程序的要求改变一下，可以得到如下的形式：

　　一个线程申请阅读锁的成功条件是：当前没有活动的写入线程。

　　一个线程申请写入锁的成功条件是：当前没有任何活动（对锁而言）的线程。

　　因此，为了标志是否有活动的线程，以及是写入还是阅读线程，引入一个变量m_nActive，如果m_nActive > 0，则表示当前活动阅读线程的数目，如果m_nActive=0，则表示没有任何活动线程，m_nActive <0，表示当前有写入线程在活动，注意m_nActive<0，时只能取-1的值，因为只允许有一个写入线程活动。

　　为了判断当前活动线程拥有的锁的类型，我们采用了线程局部存储技术（请参阅其它参考书籍），将线程与特殊标志位关联起来。

　　申请阅读锁的函数原型为：public void AcquireReaderLock( int millisecondsTimeout )，其中的参数为线程等待调度的时间。函数定义如下：

public void AcquireReaderLock( int millisecondsTimeout )

{

// m_mutext很快可以得到，以便进入临界区

m_mutex.WaitOne( );

// 是否有写入线程存在

bool bExistingWriter = ( m_nActive < 0 );

if( bExistingWriter )

{ //等待阅读线程数目加1,当有锁释放时，根据此数目来调度线程

m_nWaitingReaders++;

}

else

{ //当前活动线程加1

m_nActive++;

}

m_mutex.ReleaseMutex();

//存储锁标志为Reader

System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot(m_strThreadSlotName);

object obj = Thread.GetData( slot );

LockFlags flag = LockFlags.None;

if( obj != null )

flag = (LockFlags)obj ;

if( flag == LockFlags.None )

{

Thread.SetData( slot, LockFlags.Reader );

}

else

{

Thread.SetData( slot, (LockFlags)((int)flag | (int)LockFlags.Reader ) );

}


if( bExistingWriter )

{ //等待指定的时间

this.m_aeReaders.WaitOne( millisecondsTimeout, true );

}

}

　　它首先进入临界区（用以在多线程环境下保证活动线程数目的操作的正确性）判断当前活动线程的数目，如果有写线程(m_nActive<0)存在，则等待指定的时间并且等待的阅读线程数目加1。如果当前活动线程是读线程(m_nActive>=0)，则可以让读线程继续运行。

　　申请写入锁的函数原型为：public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout )，其中的参数为等待调度的时间。函数定义如下：

public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout )

{

// m_mutext很快可以得到，以便进入临界区

m_mutex.WaitOne( );

// 是否有活动线程存在

bool bNoActive = m_nActive == 0;

if( !bNoActive )

{

m_nWaitingWriters++;

}

else

{

m_nActive--;

}

m_mutex.ReleaseMutex();

//存储线程锁标志

System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot( "myReaderWriterLockDataSlot" );

object obj = Thread.GetData( slot );

LockFlags flag = LockFlags.None;

if( obj != null )

flag = (LockFlags)Thread.GetData( slot );

if( flag == LockFlags.None )

{

Thread.SetData( slot, LockFlags.Writer );

}

else

{

Thread.SetData( slot, (LockFlags)((int)flag | (int)LockFlags.Writer ) );

}

//如果有活动线程，等待指定的时间

if( !bNoActive )

this.m_aeWriters.WaitOne( millisecondsTimeout, true );

}

　　它首先进入临界区判断当前活动线程的数目，如果当前有活动线程存在，不管是写线程还是读线程（m_nActive），线程将等待指定的时间并且等待的写入线程数目加1，否则线程拥有写的权限。

　　释放阅读锁的函数原型为：public void ReleaseReaderLock()。函数定义如下：

public void ReleaseReaderLock()

{

System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot(m_strThreadSlotName );

LockFlags flag = (LockFlags)Thread.GetData( slot );

if( flag == LockFlags.None )

{
return;

}

bool bReader = true;

switch( flag )

{

case LockFlags.None:

break;

case LockFlags.Writer:

bReader = false;

break;

}

if( !bReader )

return;

Thread.SetData( slot, LockFlags.None );

m_mutex.WaitOne();

AutoResetEvent autoresetevent = null;

this.m_nActive --;

if( this.m_nActive == 0 )

{

if( this.m_nWaitingReaders > 0 )

{

m_nActive ++ ;

m_nWaitingReaders --;

autoresetevent = this.m_aeReaders;

}

else if( this.m_nWaitingWriters > 0)

{

m_nWaitingWriters--;

m_nActive --;

autoresetevent = this.m_aeWriters ;

}

}

m_mutex.ReleaseMutex();

if( autoresetevent != null )

autoresetevent.Set();

}

　　释放阅读锁时，首先判断当前线程是否拥有阅读锁（通过线程局部存储的标志），然后判断是否有等待的阅读线程，如果有，先将当前活动线程加1，等待阅读线程数目减1，然后置事件为有信号。如果没有等待的阅读线程，判断是否有等待的写入线程，如果有则活动线程数目减1，等待的写入线程数目减1。释放写入锁与释放阅读锁的过程基本一致，可以参看源代码。

　　注意在程序中，释放锁时，只会唤醒一个阅读程序，这是因为使用AutoResetEvent的原历，读者可自行将其改成ManualResetEvent，同时唤醒多个阅读程序，此时应令m_nActive等于整个等待的阅读线程数目。

　　测试

　　测试程序取自.Net FrameSDK中的一个例子，只是稍做修改。测试程序如下，

using System;

using System.Threading;

using MyThreading;

class Resource {

myReaderWriterLock rwl = new myReaderWriterLock();

public void Read(Int32 threadNum) {

rwl.AcquireReaderLock(Timeout.Infinite);

try {

Console.WriteLine("Start Resource reading (Thread={0})", threadNum);

Thread.Sleep(250);

Console.WriteLine("Stop Resource reading (Thread={0})", threadNum);

}

finally {

rwl.ReleaseReaderLock();

}

}

public void Write(Int32 threadNum) {

rwl.AcquireWriterLock(Timeout.Infinite);

try {

Console.WriteLine("Start Resource writing (Thread={0})", threadNum);

Thread.Sleep(750);

Console.WriteLine("Stop Resource writing (Thread={0})", threadNum);

}

finally {

rwl.ReleaseWriterLock();

}

}

}

class App {

static Int32 numAsyncOps = 20;

static AutoResetEvent asyncOpsAreDone = new AutoResetEvent(false);

static Resource res = new Resource();



public static void Main() {

for (Int32 threadNum = 0; threadNum < 20; threadNum++) {

ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(UpdateResource), threadNum);

}

asyncOpsAreDone.WaitOne();

Console.WriteLine("All operations have completed.");

Console.ReadLine();

}

// The callback method's signature MUST match that of a System.Threading.TimerCallback

// delegate (it takes an Object parameter and returns void)

static void UpdateResource(Object state) {

Int32 threadNum = (Int32) state;

if ((threadNum % 2) != 0) res.Read(threadNum);

else res.Write(threadNum);

if (Interlocked.Decrement(ref numAsyncOps) == 0)

asyncOpsAreDone.Set();

}

}