码农星球之最课程培训

改善C#程序的建议6:在线程同步中使用信号量

所谓线程同步,就是多个线程之间在某个对象上执行等待(也可理解为锁定该对象),直到该对象被解除锁定。C#中对象的类型分为引用类型和值类型。CLR在这两种类型上的等待是不一样的。我们可以简单的理解为在CLR中,值类型是不能被锁定的,也即:不能在一个值类型对象上执行等待。而在引用类型上的等待机制,则分为两类:锁定和信号同步。

锁定,使用关键字lock和类型Monitor。两者没有实质区别,前者其实是后者的语法糖。这是最常用的同步技术;

本建议我们讨论的是信号同步。信号同步机制中涉及的类型都继承自抽象类WaitHandle,这些类型有EventWaitHandle(类型化为AutoResetEvent、ManualResetEvent)和Semaphore以及Mutex。见类图6-3:

clip_image002

图 同步功能类类图

EventWaitHandle(子类为AutoResetEvent、ManualResetEvent)和Semaphore以及Mutex都继承自WaitHandle,所以它们底层的原理是一致的,维护的都是一个系统内核句柄。不过我们仍需简单的区分下这三类类型。

EventWaitHandle,维护一个由内核产生的布尔类型对象(我们称之为“阻滞状态”),如果其值为false,那么在它上面等待的线程就阻塞。可以调用类型的Set方法将其值设置为true,解除阻塞。EventWaitHandle类型的两个子类AutoResetEvent和ManualResetEvent,它们的区别并不大,本建议接下来会针对它们阐述如何正确使用信号量。

Semaphore,维护一个由内核产生的整型变量,如果其值为0,则在它上面等待的线程就阻塞,其值大于0,就解除阻塞,同时,每解除阻塞一个线程,其值就减1。

EventWaitHandle和Semaphore提供的都是单应用程序域内的线程同步功能,Mutex则不同,它为我们提供了跨应用程序域阻塞和解除阻塞线程的能力。


1:使用信号机制提供线程同步的一个简单的例子

使用信号机制提供线程同步的一个简单的例子如下:

AutoResetEvent autoResetEvent = new AutoResetEvent(false);

private void buttonStartAThread_Click(object sender, EventArgs e)
{
Thread tWork
= new Thread(() =>
{
label1.Text
= "线程启动..." + Environment.NewLine;
label1.Text
+= "开始处理一些实际的工作" + Environment.NewLine;
//省略工作代码
label1.Text += "我开始等待别的线程给我信号,才愿意继续下去" + Environment.NewLine;
autoResetEvent.WaitOne();
label1.Text
+= "我继续做一些工作,然后结束了!";
//省略工作代码
});
tWork.IsBackground
= true;
tWork.Start();
}

private void buttonSet_Click(object sender, EventArgs e)
{
//给在autoResetEvent上等待的线程一个信号
autoResetEvent.Set();
}

这是一个简单的Winform窗体程序,其中一个按钮负责开启一个新的线程,还有一个按钮负责给刚开启的那个线程发送信号。现在详细解释这里面发生的事情。

AutoResetEvent autoResetEvent = new AutoResetEvent(false);

这段代码创建了一个同步类型对象autoResetEvent,它设置自己的默认阻滞状态是false。这意味着任何在它上面进行等待的线程将会被阻滞。所谓进行等待,就是在线程中应用:

autoResetEvent.WaitOne();

这说明tWork开始在autoResetEvent上等待任何其它地方给它的信号。信号来了,则tWork开始继续工作,否则就一直等着(即阻滞)。接下来我们看到在主线程中(本例中即UI线程,它相对线程tWork来说,就是一个“另外的线程”):

autoResetEvent.Set();

主线程通过上面这句代码负责向在autoResetEvent上等待的线程tWork上下文发送信号,即将tWork的阻滞状态设置为true。tWork接收到这个信号,开始继续工作。

这个例子相当简单,但是已经完整说明了信号机制的工作原理。


2:AutoResetEvent和ManualResetEvent的区别

AutoResetEvent和ManualResetEvent有这样的区别:前者在发送信号完毕后(即调用Set方法),自动将自己的阻滞状态设置为false,而后者需要进行手动设定。可以通过一个例子来说明这种区别:

AutoResetEvent autoResetEvent = new AutoResetEvent(false);

private void buttonStartAThread_Click(object sender, EventArgs e)
{
StartThread1();
StartThread2();
}

private void StartThread1()
{
Thread tWork1
= new Thread(() =>
{
label1.Text
= "线程1启动..." + Environment.NewLine;
label1.Text
+= "开始处理一些实际的工作" + Environment.NewLine;
//省略工作代码
label1.Text += "我开始等待别的线程给我信号,才愿意继续下去" + Environment.NewLine;
autoResetEvent.WaitOne();
label1.Text
+= "我继续做一些工作,然后结束了!";
//省略工作代码
});
tWork1.IsBackground
= true;
tWork1.Start();
}

private void StartThread2()
{
Thread tWork2
= new Thread(() =>
{
label2.Text
= "线程2启动..." + Environment.NewLine;
label2.Text
+= "开始处理一些实际的工作" + Environment.NewLine;
//省略工作代码
label2.Text += "我开始等待别的线程给我信号,才愿意继续下去" + Environment.NewLine;
autoResetEvent.WaitOne();
label2.Text
+= "我继续做一些工作,然后结束了!";
//省略工作代码
});
tWork2.IsBackground
= true;
tWork2.Start();
}

private void buttonSet_Click(object sender, EventArgs e)
{
//给在autoResetEvent上等待的线程一个信号
autoResetEvent.Set();
}

这个例子的本意是要让新起的两个工作线程tWork1和tWork2都阻滞起来,直到收到主线程的信号再继续工作。结果程序运行的结果是,只有一个工作线程继续工作,另外一个工作线程则继续保持阻滞状态。我想原因大家都已经想到了。由于AutoResetEvent在发送信号完毕就在内核中自动将自己的状态设置回false了,所以另外一个工作线程相当于根本没有收到主线程的信号。

要修正这个问题,可以使用ManualResetEvent。大家可以换成ManualResetEvent试一下。


3:应用实例

最后,再举一个需要用到线程同步的实际例子:模拟网络通信。客户端在运行过程中,服务器每隔一段的时间会给客户端发送心跳数据。实际工作中服务器和客户端会是网络中两台不同的终端,在这个例子中我们进行了简化。工作线程tClient模拟客户端,主线程(UI线程)模拟服务器端。客户端每3秒检测是否收到服务器的心跳数据,如果没有心跳数据,则显示网络连接断开。代码如下:

AutoResetEvent autoResetEvent = new AutoResetEvent(false);

private void buttonStartAThread_Click(object sender, EventArgs e)
{
Thread tClient
= new Thread(() =>
{
while (true)
{
//等3秒,3秒没有信号,显示断开
//有信号,则显示更新
bool re = autoResetEvent.WaitOne(3000);
if (re)
{
label1.Text
= string.Format("时间:{0},{1}", DateTime.Now.ToString(), "保持连接状态");
}
else
{
label1.Text
= string.Format("时间:{0},{1}", DateTime.Now.ToString(), "断开,需要重启");
}
}
});
tClient.IsBackground
= true;
tClient.Start();
}

private void buttonSet_Click(object sender, EventArgs e)
{
//模拟发送心跳数据
autoResetEvent.Set();
}


备注:由本问题带来一个Winform跨线程控件赋值和操作的问题。由于在本示例中不影响上面代码的运行,所以没有涉及,但是回复中有人提出来,所以提前简述一下Winform的线程模型:

在Winform框架中,有一个ISynchronizeInvoke接口,所有的UI元素(表现为Control)都继承了该接口。其中,接口中的InvokdRequired属性表示了当前线程是否是创建它的线程。接口中的Invoke和BeginInvoke方法负责将消息发送到消息队列中,这样,UI线程就能够正确处理它。

具体到代码中,对于夸线程控件赋值,可以采用下面的方法:

this.label1.BeginInvoke(new Action(()=>
{
this.label1.Text = "跨线程中赋值";
}));

之前的话题:

改善C#程序的建议5:引用类型赋值为null与加速垃圾回收

改善C#程序的建议4:C#中标准Dispose模式的实现

改善C#程序的建议3:在C#中选择正确的集合进行编码

改善C#程序的建议2:C#中dynamic的正确用法

改善C#程序的建议1:非用ICloneable不可的理由

posted @ 2011-05-03 08:55  陆敏技  阅读(10915)  评论(22编辑  收藏
Web Counter
Coupon for Contacts