C#多线程(二)同步基础篇

回顾上节:线程基础篇传送门

我们对多线程已经有了基础的认知,知道其工作原理和一些基本维护操作,并且引出了线程安全的概念。这一篇我们要讲的主题--同步,是解决线程安全问题的一个手段之一,线程安全是整个多线程的核心挑战,几乎所有的手段都是在与他对抗!整个系列将通篇围绕线程安全开展。

如果你对同步已经有了理解,请直接跳往下一篇:线程高级篇传送门

一、基本概念

线程安全

线程安全(thread safe):指的是被任意多的线程同时执行,都可以保证正确性。

除基本类型外,很少有类型是线程安全的,线程安全的责任基本落在开发者身上,System.Collections.Concurrent命名空间下的类型的除外。

  • 线程安全最常见的手段一般是使用【排它锁】,将大段代码甚至是访问的整个对象封装在一个排它锁内,从而保证在高层上能进行顺序访问。
    这种解决方案适用于对象的方法都能够快速执行的场景(否则会导致大量的阻塞)。
  • 还有一种手段很高明,即通过【最小化共享数据】来减少【线程交互】,web服务器就是最好的案例,由于多个客户端请求可以同时到达,服务端方法必须保证线程安全。类似的案例还有【无状态】设计,在本质上限制了
    数据交互的可能,具有良好的伸缩性(scalability)。
  • 还有一种手段,【自动锁机制(automatic locking)】如果继承 ContextBoundObject 类并使用 Synchronization 特性,.NET Framework 就可以实现这种机制,framework全系支持,但是netcore没有,类似java的synchronized。

尽管这样降低了开发者实现线程安全的负担,但范围过大的锁定作用域将制造出巨大的麻烦:死锁、非有意的重入以及降低并发度。这使得手动锁定在任何场景都显得更为合适,而并不仅仅只在简单的场景下(直到有更好用的自动锁机制出现)。

  • 其它手段,【信号构造】,【内存屏障】,【自旋构造】。。。

同步与阻塞

同步(synchronization):指对在一个系统中所发生的事件(event)之间进行协调,在时间上出现一致性与统一化的现象 -- 为期望的结果协调多个线程的行为。

当多个线程访问同一个数据时,同步尤为重要,但这是一件非常容易G的事情。

同步对象(synchronized object):对所有参与同步的线程可见的任何对象都可以被当作同步对象使用,但有一个硬性规定:同步对象必须为引用类型。同步对象一般是私有的(因为这有助于封装锁逻辑)。

同步对象也可以就是其要保护的对象。

class ThreadSafe
{
  List <string> _list = new List <string>();

  void Test()
  {
    lock (_list)
    {
      _list.Add ("Item 1");
      // ...

一个只被用来加锁的字段可以精确控制锁的作用域与粒度。

private static readonly object _locker = new object();

对象自己(this),甚至是类型,lambda 表达式或匿名方法所捕获的局部变量 都可以被当作同步对象来使用:

lock (this) { ... }
// 或者:
lock (typeof (Widget)) { ... }    // 保护对静态资源的访问

但这种方式的缺点在于并没有对锁逻辑进行封装,从而很难避免【死锁】或过多的【阻塞】。 同时类型上的锁也可能会跨越应用程序域(application domain)边界(在同一进程内)。

阻塞(block):当线程的执行由于某些原因被暂停,比如【信号构造】或【锁构造】时,比如调用Thread.Sleep,Task.Wait,或者通过Join方法等待其它线程结束时,则认为此线程被阻塞(blocked)。

阻塞会在以下 4 种情况下解除(电源按钮可不能算╮(╯▽╰)╭):

  • 阻塞条件被满足
  • 操作超时(如果指定了超时时间)
  • 通过Thread.Interrupt中断
  • 通过Thread.Abort中止

编译器将async Task转换为状态机,到达 await 时暂停执行等待后台作业完成时继续执行。从理论上讲,这是异步的承诺模型的实现。)

static async Task<Toast> MakeToastWithButterAndJamAsync(int number)
{
    // do samething..
    var toast = await ToastBreadAsync(number);
    // do samething..
    return toast;
}

同步构造

锁构造(lock):锁能够限制同一时刻可以执行某些指令或是某段代码的线程数量。排他锁是最常见的,它只允许同一时刻至多有一个线程执行,从而可以使得参与竞争的线程在访问公共数据时不会彼此干扰。
一般的排他锁有lock(Monitor.Enter/Monitor.Exit)、Mutex、SpinLock,非排他锁有Semaphore、SemaphoreSlim以及reader/writer lock。

信号构造(signal):信号构造可以使一个线程【挂起】,直到接收到另一个线程的通知,避免了低效的轮询 。有两种经常使用的信号设施:事件等待句柄(event wait handle )和Monitor类的Wait / Pulse方法。
Framework 4.0 加入了CountdownEvent与Barrier类。

自旋(spinning):有时线程必须阻塞/暂停,直至条件被满足,【信号构造】或【锁构造】可以实现,但在等待条件能够在微秒级的时间被满足时,
自旋往往更加高效,因为它避免了上下文切换带来的昂贵开销。

while (!condition);

自旋往往与阻塞组合使用,防止cpu浪费

while (!condition) Thread.Sleep (10);

线程状态(thread state):Unstarted、Running、WaitSleepJoin、Stopped。。

原子性

指令原子性(instruction atomically):如果一组【指令】可以在 CPU 上不可分割地执行,那么它就是原子的

原子性(atomically):如果一组变量总是在相同的锁内进行读写,就可以称为原子性读写

lock (locker) { if (x != 0) y /= x; }

可以说x和y是被原子的访问的,因为上面的代码块无法被其它的线程分割或抢占(cpu悲观锁/总线锁)。如果被其它线程分割或抢占,x和y就可能被别的线程修改导致计算结果无效(cpu乐观锁/缓存锁)。而现在 x和y总是在相同的排它锁中进行访问,因此不会出现除数为零的错误。

如果lock代码块内发生异常,原子性将被打破

decimal _savingsBalance, _checkBalance;

void Transfer (decimal amount)
{
  lock (_locker)
  {
    _savingsBalance += amount;
    _checkBalance -= amount + GetBankFee();
  }
}

如果GetBankFee()方法内抛出异常,银行可能就要亏钱了。在这个例子中,我们可以通过更早的调用GetBankFee()来规避这个问题。对于更复杂情况,解决方案是在catch/finally中实现“回滚(rollback)”逻辑。

二、锁构造

Monitor

C# 的lock语句是一个语法糖,它其实就是使用了try / finally来调用Monitor.EnterMonitor.Exit方法:

bool taken = false;
try
{
    // JIT应该内联此方法,以便在典型情况下优化lockTaken参数的检查。
    Monitor.Enter(_locker,ref taken);
    num++;
}
finally
{
    // C# 4.0 解决锁泄露问题
    if (taken) Monitor.Exit(_locker);
}

Monitor是【可重入的(Reentrant)】,只有当最外层的lock语句退出或是执行了匹配数目的Monitor.Exit语句时,对象才会被解锁。

static void Main()
{
    lock (locker)  // 线程只会在第一个(最外层)lock处阻塞。
    {
        AnotherMethod();
        // 这里依然拥有锁,因为锁是可重入的
    }
}

static void AnotherMethod()
{
  lock (_locker) { Console.WriteLine ("Another method"); }
}

Monitor的性能:在一个 2010 时代的计算机上,没有竞争的情况下获取并释放锁一般只需 20 纳秒。如果存在竞争,产生的上下文切换会把开销增加到微秒的级别,并且线程被重新调度前可能还会等待更久的时间。如果需要锁定的时间很短,那么可以使用【自旋锁(SpinLock)】来避免上下文切换的开销。

Monitor还提供了一个TryEnter方法,允许以毫秒或是TimeSpan方式指定超时时间。如果获得了锁,该方法会返回true,而如果由于超时没有获得锁,则会返回false。TryEnter也可以不传递超时时间进行调用,这是对锁进行“测试”,如果不能立即获得锁就会立即返回false。

如果获取锁后保持的时间太长而不释放,就会降低并发度,同时也会加大【死锁】的风险。

Mutex

Mutex互斥体类似于Monitor,不同在于它是可以跨越进程工作。换句话说,Mutex可以是机器范围(computer-wide)的,也可以是程序范围(application-wide)的。

没有竞争的情况下,获取并释放Mutex需要几微秒的时间,大约比lock慢 50 倍。

使用Mutex类时,可以调用WaitOne方法来加锁,调用ReleaseMutex方法来解锁。关闭或销毁Mutex会自动释放锁。与lock语句一样,Mutex只能被获得该锁的线程释放。

跨进程Mutex的一种常见的应用就是确保只运行一个程序实例。

// 命名的 Mutex 是机器范围的,它的名称需要是唯一的
// 比如使用公司名+程序名,或者也可以用 URL
using (var mutex = new Mutex (false, "Global\oreilly.com OneAtATimeDemo"))
{
  // 可能其它程序实例正在关闭,所以可以等待几秒来让其它实例完成关闭
  if (!mutex.WaitOne (TimeSpan.FromSeconds (3), false))
  {
    Console.WriteLine ("Another app instance is running. Bye!");
    return;
  }
  RunProgram();
}

如果在终端服务(Terminal Services)下运行,机器范围的Mutex默认仅对于运行在相同终端会话的应用程序可见。要使其对所有终端会话可见,需要在其名字前加上Global\。

死锁

当两个线程等待的资源都被对方占用时(A等B,B等A),它们都无法执行,这就产生了死锁。更复杂的死锁链可能由三个或更多的线程创建。

object locker1 = new object();
object locker2 = new object();

new Thread(() =>
{
    lock (locker1)
    {
        Thread.Sleep(1000);
        lock (locker2)  // 死锁
        {
            // do something..
        }
    }
}).Start();

lock (locker2)
{
    Thread.Sleep(1000);
    lock (locker1)  // 死锁
    {
        // do something..
    }
}

CLR 不会像SQL Server一样自动检测和解决死锁。除非你指定了锁定的超时时间,否则死锁会造成参与的线程无限阻塞。(在SQL CLR 集成宿主环境中,死锁能够被自动检测,并在其中一个线程上抛出可捕获的异常。)

死锁是多线程中最难解决的问题之一,尤其是在有很多关联对象的时候。这个困难在根本上在于无法确定调用方(caller)已经拥有了哪些锁。

你可能会锁定类x中的私有字段a,而并不知道调用方(或者调用方的调用方)已经锁住了类y中的字段b。同时,另一个线程正在执行顺序相反的操作,这样就创建了死锁。讽刺的是,这个问题会由于(良好的)面向对象的设计模式而加剧,因为这类模式建立的调用链直到运行时才能确定。

流行的建议:“以一致的顺序对对象加锁以避免死锁”,尽管它对于我们最初的例子有帮助,但是很难应用到刚才所描述的场景。更好的策略是:如果发现在锁区域中的对其它类的方法调用最终会引用回当前对象,就应该小心,同时考虑是否真的需要对其它类的方法调用加锁(往往是需要的,但是有时也会有其它选择)。更多的依靠声明方式(declarative)与数据并行(data parallelism)、不可变类型(immutable types)与非阻塞同步构造( nonblocking synchronization constructs),可以减少对锁的需要。

有另一种思路:当你在拥有锁的情况下访问其它类的代码,对于锁的封装就存在潜在的泄露。这不是 CLR 或 .NET Framework 的问题,而是因为锁本身的局限性。某些人认为造成这样问题的根因是可重入?

三、信号构造

SemaphoreSlim

信号量类似于一个通道:它具有一定的容量(capacity)房间,并且有保安把守。一旦满员,就不允许其他人进入,这些人将在外面排队。当有一个人离开时,排在最前头的人便可以进入。

容量为1的的信号量就是一把互斥锁,类似mutex,不同的是信号量没有【所有者】,它是线程无关(thread-agnostic)的。任何线程都可以在调用Semaphore上的Release方法,而对于mutex,只有获得锁的线程才可以释放该锁。

下面是创建一个初始可授予数为3,最大并发授予数为5的信号量(默认是int.MaxValue

private readonly SemaphoreSlim _semaphoreSlim = new SemaphoreSlim(3, 5);

SemaphoreSlim是 standard1.0 就支持的轻量级的信号量,功能与Semaphore相似,不同之处是它对于并行编程的低延迟需求做了优化;支持在等待时指定取消标记 (cancellation token)。但它不能跨进程使用,Semaphore可以。

在Semaphore上调用WaitOne或Release会产生大概 1 微秒的开销(无竞争情况下),而SemaphoreSlim产生的开销约是其四分之一。

我们开模拟5个线程并行执行:

[Theory]
[InlineData(5)]
void 循环测试SemaphoreSlim(int threadCnt)
{
    Parallel.For(0, threadCnt, 进来玩);
}

进来玩方法的实现:

private void 进来玩(int x)
{
	_testOutputHelper.WriteLine(x + "想进来");
	_semaphoreSlim.Wait(); // - 1 尝试进入房间   thread.sleep(-1)
	_testOutputHelper.WriteLine(x + "进来了");
	Thread.Sleep(1000);  // 业务逻辑
	_testOutputHelper.WriteLine(x + "溜了");
	_semaphoreSlim.Release(); // + 1 可用容量
}

输出:可以看到,"房间"中最多只会同时有三个线程,其它想进来的线程必须等“房间”里面的线程出来

3想进来
1想进来
2想进来
4想进来
0想进来
4进来了
3进来了
0进来了
4溜了
0溜了
3溜了
2进来了
1进来了
2溜了
1溜了

EventWaitHandle

EventWaitHandle允许线程通过信号相互通信。 通常,在解除阻塞的线程调用Set之前,调用WaitHandle.WaitOne()的线程会一直阻塞。

EventWaitHandle提供两个重要的方法:

  • Set:将事件的状态设置为已发出信号,允许一个或多个WaitOne线程继续(好比开“门”)
  • Reset:将事件的状态设置为无信号,导致WaitOne线程阻塞(好比关“门”)

EventWaitHandle的构造方法允许以命名的方式进行创建,这样它就可以跨进程使用。名称就是一个字符串,可以随意起名

EventWaitHandle wh = new EventWaitHandle (false,EventResetMode.AutoReset,"MyCompany.MyApp.SomeName");

注意命名冲突!如果名字在计算机上已存在,你就会获取一个它对应的EventWaitHandle的引用,否则操作系统会创建一个新的,createdNew会告诉你这个事情。

public EventWaitHandle(bool initialState, EventResetMode mode, string? name, out bool createdNew)

ManualResetEvent

ManualResetEvent是继承EventWaitHandle的密封类

public sealed class ManualResetEvent : EventWaitHandle

内部实现非常简单,只提供了一个构造函数,initialState用于标识初始状态下,“门”是开的还是关的

public ManualResetEvent(bool initialState) : base(initialState, EventResetMode.ManualReset) { }

ManualResetEvent调用WaitOne进入阻塞,任意可访问的线程都能调用Set方法来放行。

var waitHandle = new ManualResetEvent(false);
// var waitHandle = new EventWaitHandle(false, EventResetMode.ManualReset);
Task.Run(() =>
{
    _testOutputHelper.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + " 尝试进门...");
    waitHandle.WaitOne();
    _testOutputHelper.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + " 进去了");
    业务逻辑();
    _testOutputHelper.WriteLine("当前门的状态是开启的吗?"+waitHandle.WaitOne(0)); //true
});
Thread.Sleep(1000);
_testOutputHelper.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + " say:我来开门");
waitHandle.Set();

输出:

5 尝试进门...
15 say:我来开门
5 进去了
5 开始干活!
当前门的状态是开启的吗?True

从 Framework 4.0 开始,提供了另一个版本的ManualResetEvent,名为ManualResetEventSlim。 后者为短等待时间做了优化,它提供了进行一定次数迭代自旋的能力,也实现了一种更有效的管理机制,允许通过CancellationToken取消Wait等待。但它不能用于跨进程的信号同步。 ManualResetEventSlim不是WaitHandle的子类,但它提供一个WaitHandle的属性,会返回一个基于WaitHandle的对象(使用它的性能和一般的等待句柄相同)。

AutoResetEvent

AutoResetEvent如其命名,收到通知后他能自动复位(reset),而ManualResetEvent不能。

EventWaitHandle waitHandle = new AutoResetEvent(false);
// var waitHandle2 = new EventWaitHandle(false, EventResetMode.AutoReset);
Task.Factory.StartNew(() =>
{
    _testOutputHelper.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + " 尝试进门...");
    waitHandle.WaitOne();
    _testOutputHelper.WriteLine("当前门的状态是开启的吗?"+waitHandle.WaitOne(0));
    _testOutputHelper.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + " 进去了");
    业务逻辑();
    _testOutputHelper.WriteLine("当前门的状态是开启的吗?"+waitHandle.WaitOne(0));
    waitHandle.Set();
    Task.Run(() =>
    {
        waitHandle.WaitOne();
        _testOutputHelper.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + " 进去了");
        业务逻辑();
    });
});
Thread.Sleep(1000);
_testOutputHelper.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId + " say:我来开门");
waitHandle.Set();
Thread.Sleep(1000);  // 等待worker

输出:

13 尝试进门...
17 say:我来开门
当前门的状态是开启的吗?False
13 进去了
13 开始干活!
当前门的状态是开启的吗?False
13 进去了
13 开始干活!

我们可以使用AutoResetEvent实现一个简易的生产消费队列:

public class PCQueue:IDisposable
{
    private EventWaitHandle _waitHandle = new AutoResetEvent(false);
    private Thread _worker;
    private readonly object _locker = new object();
    private Queue<string> _tasks = new Queue<string>();

    private readonly ITestOutputHelper _testOutputHelper;

    public PCQueue(ITestOutputHelper testOutputHelper)
    {
        _testOutputHelper = testOutputHelper;

        _worker = new Thread(Work);
        _worker.Start();
    }

    public void AddTask(string task)
    {
        lock (_locker)
        {
            _tasks.Enqueue(task);
        }

        _waitHandle.Set();
    }

    private void Work()
    {
        while (true)
        {
            string task = null;
            lock (_locker)
            {
                if (_tasks.Count > 0)
                {
                    task = _tasks.Dequeue();
                    if (task == null) return;  // null为退出任务
                }
            }

            if (task == null)
            {
                _waitHandle.WaitOne();  // 没有任务,进入阻塞,等待新的任务
            }
            else
            {
                _testOutputHelper.WriteLine("执行任务:" +task);
                Thread.Sleep(1000);  // 模拟耗时任务
            }
        }
    }

    public void Dispose()
    {
        AddTask(null);  // 通知消费线程退出
        _worker.Join();  // 等待消费线程执行完成
        _waitHandle.Close();  // 释放事件句柄
    }
}

使用:

using (var queue = new PCQueue(_testOutputHelper))
{
    queue.AddTask("hello");
    for (int i = 1; i <= 5; i++)
    {
        queue.AddTask("say " + i);
    }
    queue.AddTask("bye");
}

输出:

执行任务:hello
执行任务:say 1
执行任务:say 2
执行任务:say 3
执行任务:say 4
执行任务:say 5
执行任务:bye

CountdownEvent

CountdownEvent可以用于多线程等待,这个类型是 Framework 4.0 加入的,是一个高效的纯托管实现。

构造CountdownEvent时,需要指定一个初始计数

public CountdownEvent(int initialCount)

常用的方法

public bool Signal()  // -1
public bool Signal(int signalCount)  // -signalCount
public void AddCount()  // +1
public void AddCount(int signalCount)  // +signalCount
public void Wait()  // 阻塞,直到计数==0
public void Wait(CancellationToken cancellationToken)
public bool Wait(TimeSpan timeout)

下面这个例子,初始一个计数为3的计数器,启动三个工作线程

CountdownEvent _countdown = new CountdownEvent (3);

void 测试CountdownEvent等待()
{
    Task.Run(工作);
    Task.Run(工作);
    Task.Run(工作);

    _countdown.Wait();
    _testOutputHelper.WriteLine("大家都干完了");
}

void 工作()
{
    _testOutputHelper.WriteLine("线程:"+Thread.CurrentThread.ManagedThreadId+" 正在干活");
    Thread.Sleep(1000);
    _countdown.Signal();
}

输出:

线程:7 正在干活
线程:8 正在干活
线程:5 正在干活
大家都干完了

CountdownEvent的所有公共成员和受保护成员都是线程安全的,可以在多个线程同时使用。但Dispose()Reset()除外,Dispose只能在CountdownEvent上的所有其他操作都完成时使用,Reset只能在没有其他线程访问事件时使用。

四、等待句柄

WaitHandle

WaitHandle类上还有一些静态方法用来解决更复杂的同步问题。

WaitAnyWaitAllSignalAndWait方法可以向多个等待句柄发信号和进行等待操作。等待句柄可以是不同的类型(包括 MutexSemaphoreCountdownEvent等,因为它们都派生自抽象类WaitHandle)。

  • waitAny 等待一组等待句柄中任意一个

  • WaitAll 等待给定的所有等待句柄。这个等待是原子的。

  • SignalAndWait会调用一个等待句柄的Set方法,然后调用另一个等待句柄的WaitOne方法。在向第一个句柄发信号后,会(让当前线程)跳到第二个句柄的等待队列的最前位置(插队)。

    WaitHandle.SignalAndWait (wh1, wh2);
    

等待句柄和线程池

如果你的应用有很多线程,这些线程大部分时间都在阻塞,那么可以通过调用ThreadPool.RegisterWaitForSingleObject来减少资源消耗。当向等待句柄waitObject发信号Set时(或者已超时millisecondsTimeOutInterval),委托callBack会在一个线程池线程运行。executeOnlyOnce设置请求是一次性的还是可重复的。

public static RegisteredWaitHandle RegisterWaitForSingleObject(
             WaitHandle waitObject,
             WaitOrTimerCallback callBack,
             object? state,
             int millisecondsTimeOutInterval,
             bool executeOnlyOnce    // NOTE: we do not allow other options that allow the callback to be queued as an APC
             )

下面这个例子,主线程在3s后向等待句柄发送信号,然后Work方法被一个线程池线程执行

[Fact]
void Show()
{
    var _waitHandle = new ManualResetEvent(false);
    _testOutputHelper.WriteLine ("thread id - " + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    var reg = ThreadPool.RegisterWaitForSingleObject(_waitHandle, Work, "hahah", -1, true);
    Thread.Sleep(3000);
    _testOutputHelper.WriteLine("发送复位信号");
    _testOutputHelper.WriteLine ("thread id - " + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    _waitHandle.Set();
    reg.Unregister(_waitHandle);
}
private void Work (object data, bool timedOut)
{
    _testOutputHelper.WriteLine ("Say - " + data);
    
    _testOutputHelper.WriteLine ("thread id - " + Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
    // 执行任务 ....
}

输出:

thread id - 22
发送复位信号
thread id - 22
Say - hahah
thread id - 28

可以发现,发送复位信号的和执行Work的不是同一个线程

posted @ 2022-11-13 11:06  xiaolipro  阅读(553)  评论(0编辑  收藏  举报