C#線程同步的幾種方法

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我們?cè)诰幊痰臅r(shí)候，有時(shí)會(huì)使用多線程來解決問題，比如你的程序需要在后臺(tái)處理一大堆數(shù)據(jù)，但還要使用戶界面處于可操作狀態(tài)；或者你的程序需要訪問一些外部資源如數(shù)據(jù)庫或網(wǎng)絡(luò)文件等。這些情況你都可以創(chuàng)建一個(gè)子線程去處理，然而，多線程不可避免地會(huì)帶來一個(gè)問題，就是線程同步的問題。如果這個(gè)問題處理不好，我們就會(huì)得到一些非預(yù)期的結(jié)果。
在網(wǎng)上也看過一些關(guān)于線程同步的文章，其實(shí)線程同步有好幾種方法，下面我就簡(jiǎn)單的做一下歸納。
一、volatile關(guān)鍵字
volatile是最簡(jiǎn)單的一種同步方法，當(dāng)然簡(jiǎn)單是要付出代價(jià)的。它只能在變量一級(jí)做同步，volatile的含義就是告訴處理器， 不要將我放入工作內(nèi)存， 請(qǐng)直接在主存操作我。（【轉(zhuǎn)自www.bitsCN.com 】）因此，當(dāng)多線程同時(shí)訪問該變量時(shí)，都將直接操作主存，從本質(zhì)上做到了變量共享。
能夠被標(biāo)識(shí)為volatile的必須是以下幾種類型：（摘自MSDN）
? Any reference type.
? Any pointer type (in an unsafe context).
? The types sbyte, byte, short, ushort, int, uint, char, float, bool.
? An enum type with an enum base type of byte, sbyte, short, ushort, int, or uint.
如：

public class A
{
private volatile int _i;
public int I
{
get { return _i; }
set { _i = value; }
}
} 

但volatile并不能實(shí)現(xiàn)真正的同步，因?yàn)樗牟僮骷?jí)別只停留在變量級(jí)別，而不是原子級(jí)別。如果是在單處理器系統(tǒng)中，是沒有任何問題的，變量在主存中沒有機(jī)會(huì)被其他人修改，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)處理器，這就叫作processor Self-Consistency。但在多處理器系統(tǒng)中，可能就會(huì)有問題。 每個(gè)處理器都有自己的data cach，而且被更新的數(shù)據(jù)也不一定會(huì)立即寫回到主存。所以可能會(huì)造成不同步，但這種情況很難發(fā)生，因?yàn)閏ach的讀寫速度相當(dāng)快，flush的頻率也相當(dāng)高，只有在壓力測(cè)試的時(shí)候才有可能發(fā)生，而且?guī)茁史浅７浅Ｐ　?br> 二、lock關(guān)鍵字
lock是一種比較好用的簡(jiǎn)單的線程同步方式，它是通過為給定對(duì)象獲取互斥鎖來實(shí)現(xiàn)同步的。它可以保證當(dāng)一個(gè)線程在關(guān)鍵代碼段的時(shí)候，另一個(gè)線程不會(huì)進(jìn)來，它只能等待，等到那個(gè)線程對(duì)象被釋放，也就是說線程出了臨界區(qū)。用法：

public void Function() 
{
object lockThis = new object (); 
lock (lockThis)
{
// Access thread-sensitive resources. 
}
} 

lock的參數(shù)必須是基于引用類型的對(duì)象，不要是基本類型像bool,int什么的，這樣根本不能同步，原因是lock的參數(shù)要求是對(duì)象，如果傳入int，勢(shì)必要發(fā)生裝箱操作，這樣每次lock的都將是一個(gè)新的不同的對(duì)象。最好避免使用public類型或不受程序控制的對(duì)象實(shí)例，因?yàn)檫@樣很可能導(dǎo)致死鎖。特別是不要使用字符串作為lock的參數(shù)，因?yàn)樽址籆LR“暫留”，就是說整個(gè)應(yīng)用程序中給定的字符串都只有一個(gè)實(shí)例，因此更容易造成死鎖現(xiàn)象。建議使用不被“暫留”的私有或受保護(hù)成員作為參數(shù)。其實(shí)某些類已經(jīng)提供了專門用于被鎖的成員，比如Array類型提供SyncRoot，許多其它集合類型也都提供了SyncRoot。
所以，使用lock應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：
１、如果一個(gè)類的實(shí)例是public的，最好不要lock(this)。因?yàn)槭褂媚愕念惖娜艘苍S不知道你用了lock，如果他new了一個(gè)實(shí)例，并且對(duì)這個(gè)實(shí)例上鎖，就很容易造成死鎖。
２、如果MyType是public的，不要lock(typeof(MyType))
３、永遠(yuǎn)也不要lock一個(gè)字符串
三、System.Threading.Interlocked
對(duì)于整數(shù)數(shù)據(jù)類型的簡(jiǎn)單操作，可以用 Interlocked 類的成員來實(shí)現(xiàn)線程同步，存在于System.Threading命名空間。Interlocked類有以下方法：Increment , Decrement , Exchange 和CompareExchange 。使用Increment 和Decrement 可以保證對(duì)一個(gè)整數(shù)的加減為一個(gè)原子操作。Exchange 方法自動(dòng)交換指定變量的值。CompareExchange 方法組合了兩個(gè)操作：比較兩個(gè)值以及根據(jù)比較的結(jié)果將第三個(gè)值存儲(chǔ)在其中一個(gè)變量中。比較和交換操作也是按原子操作執(zhí)行的。如：

int i = 0 ;
System.Threading.Interlocked.Increment( ref i);
Console.WriteLine(i);
System.Threading.Interlocked.Decrement( ref i);
Console.WriteLine(i);
System.Threading.Interlocked.Exchange( ref i, 100 );
Console.WriteLine(i);
System.Threading.Interlocked.CompareExchange( ref i, 10 , 100 ); 

Output:

四、Monitor
Monitor類提供了與lock類似的功能,不過與lock不同的是,它能更好的控制同步塊,當(dāng)調(diào)用了Monitor的Enter(Object o)方法時(shí),會(huì)獲取o的獨(dú)占權(quán),直到調(diào)用Exit(Object o)方法時(shí),才會(huì)釋放對(duì)o的獨(dú)占權(quán),可以多次調(diào)用Enter(Object o)方法,只需要調(diào)用同樣次數(shù)的Exit(Object o)方法即可,Monitor類同時(shí)提供了TryEnter(Object o,[int])的一個(gè)重載方法,該方法嘗試獲取o對(duì)象的獨(dú)占權(quán),當(dāng)獲取獨(dú)占權(quán)失敗時(shí),將返回false。
但使用 lock 通常比直接使用 Monitor 更可取，一方面是因?yàn)?lock 更簡(jiǎn)潔，另一方面是因?yàn)?lock 確保了即使受保護(hù)的代碼引發(fā)異常，也可以釋放基礎(chǔ)監(jiān)視器。這是通過 finally 中調(diào)用Exit來實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，lock 就是用 Monitor 類來實(shí)現(xiàn)的。下面兩段代碼是等效的：

lock (x)
{
DoSomething();
} 
等效于

object obj = ( object )x;
System.Threading.Monitor.Enter(obj);
try 
{
DoSomething();
}
finally 
{
System.Threading.Monitor.Exit(obj);
} 

關(guān)于用法，請(qǐng)參考下面的代碼：

private static object m_monitorObject = new object ();
[STAThread]
static void Main( string [] args)
{
Thread thread = new Thread( new ThreadStart(Do));
thread.Name = " Thread1 " ;
Thread thread2 = new Thread( new ThreadStart(Do));
thread2.Name = " Thread2 " ;
thread.Start();
thread2.Start();
thread.Join();
thread2.Join();
Console.Read();
}
static void Do()
{
if ( ! Monitor.TryEnter(m_monitorObject))
{
Console.WriteLine( " Can't visit Object " + Thread.CurrentThread.Name);
return ;
}
try 
{
Monitor.Enter(m_monitorObject);
Console.WriteLine( " Enter Monitor " + Thread.CurrentThread.Name);
Thread.Sleep( 5000 );
}
finally 
{
Monitor.Exit(m_monitorObject);
}
} 

當(dāng)線程1獲取了m_monitorObject對(duì)象獨(dú)占權(quán)時(shí)，線程2嘗試調(diào)用TryEnter(m_monitorObject)，此時(shí)會(huì)由于無法獲取獨(dú)占權(quán)而返回false，輸出信息如下：

另外，Monitor還提供了三個(gè)靜態(tài)方法Monitor.Pulse(Object o)，Monitor.PulseAll(Object o)和Monitor.Wait(Object o ) ，用來實(shí)現(xiàn)一種喚醒機(jī)制的同步。關(guān)于這三個(gè)方法的用法，可以參考MSDN，這里就不詳述了。
五、Mutex
在使用上,Mutex與上述的Monitor比較接近，不過Mutex不具備Wait，Pulse，PulseAll的功能，因此，我們不能使用Mutex實(shí)現(xiàn)類似的喚醒的功能。不過Mutex有一個(gè)比較大的特點(diǎn)，Mutex是跨進(jìn)程的，因此我們可以在同一臺(tái)機(jī)器甚至遠(yuǎn)程的機(jī)器上的多個(gè)進(jìn)程上使用同一個(gè)互斥體。盡管Mutex也可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程內(nèi)的線程同步，而且功能也更強(qiáng)大，但這種情況下，還是推薦使用Monitor，因?yàn)镸utex類是win32封裝的，所以它所需要的互操作轉(zhuǎn)換更耗資源。
六、ReaderWriterLock
在考慮資源訪問的時(shí)候,慣性上我們會(huì)對(duì)資源實(shí)施lock機(jī)制,但是在某些情況下,我們僅僅需要讀取資源的數(shù)據(jù),而不是修改資源的數(shù)據(jù),在這種情況下獲取資源的獨(dú)占權(quán)無疑會(huì)影響運(yùn)行效率,因此.Net提供了一種機(jī)制,使用ReaderWriterLock進(jìn)行資源訪問時(shí),如果在某一時(shí)刻資源并沒有獲取寫的獨(dú)占權(quán),那么可以獲得多個(gè)讀的訪問權(quán),單個(gè)寫入的獨(dú)占權(quán),如果某一時(shí)刻已經(jīng)獲取了寫入的獨(dú)占權(quán),那么其它讀取的訪問權(quán)必須進(jìn)行等待,參考以下代碼：

private static ReaderWriterLock m_readerWriterLock = new ReaderWriterLock();
private static int m_int = 0;
[STAThread]
static void Main(string[] args)
{
Thread readThread = new Thread(new ThreadStart(Read));
readThread.Name = "ReadThread1";
Thread readThread2 = new Thread(new ThreadStart(Read));
readThread2.Name = "ReadThread2";
Thread writeThread = new Thread(new ThreadStart(Writer));
writeThread.Name = "WriterThread";
readThread.Start();
readThread2.Start();
writeThread.Start();
readThread.Join();
readThread2.Join();
writeThread.Join();

Console.ReadLine(); 
}
private static void Read()
{
while (true)
{
Console.WriteLine("ThreadName " + Thread.CurrentThread.Name + " AcquireReaderLock");
m_readerWriterLock.AcquireReaderLock(10000);
Console.WriteLine(String.Format("ThreadName : {0} m_int : {1}", Thread.CurrentThread.Name, m_int));
m_readerWriterLock.ReleaseReaderLock();
}
}

private static void Writer()
{
while (true)
{
Console.WriteLine("ThreadName " + Thread.CurrentThread.Name + " AcquireWriterLock");
m_readerWriterLock.AcquireWriterLock(1000);
Interlocked.Increment(ref m_int);
Thread.Sleep(5000);
m_readerWriterLock.ReleaseWriterLock();
Console.WriteLine("ThreadName " + Thread.CurrentThread.Name + " ReleaseWriterLock");
}
} 

在程序中,我們啟動(dòng)兩個(gè)線程獲取m_int的讀取訪問權(quán),使用一個(gè)線程獲取m_int的寫入獨(dú)占權(quán),執(zhí)行代碼后,輸出如下：

可以看到，當(dāng)WriterThread獲取到寫入獨(dú)占權(quán)后，任何其它讀取的線程都必須等待，直到WriterThread釋放掉寫入獨(dú)占權(quán)后，才能獲取到數(shù)據(jù)的訪問權(quán)，應(yīng)該注意的是，上述打印信息很明顯顯示出，可以多個(gè)線程同時(shí)獲取數(shù)據(jù)的讀取權(quán)，這從ReadThread1和ReadThread2的信息交互輸出可以看出。
七、SynchronizationAttribute
當(dāng)我們確定某個(gè)類的實(shí)例在同一時(shí)刻只能被一個(gè)線程訪問時(shí)，我們可以直接將類標(biāo)識(shí)成Synchronization的，這樣，CLR會(huì)自動(dòng)對(duì)這個(gè)類實(shí)施同步機(jī)制,實(shí)際上，這里面涉及到同步域的概念，當(dāng)類按如下設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以確保類的實(shí)例無法被多個(gè)線程同時(shí)訪問
1). 在類的聲明中,添加System.Runtime.Remoting.Contexts.SynchronizationAttribute屬性。
2). 繼承至System.ContextBoundObject
需要注意的是，要實(shí)現(xiàn)上述機(jī)制，類必須繼承至System.ContextBoundObject，換句話說,類必須是上下文綁定的。
一個(gè)示范類代碼如下：

[System.Runtime.Remoting.Contexts.Synchronization]
public class SynchronizedClass : System.ContextBoundObject
{

} 

八、MethodImplAttribute
如果臨界區(qū)是跨越整個(gè)方法的，也就是說，整個(gè)方法內(nèi)部的代碼都需要上鎖的話，使用MethodImplAttribute屬性會(huì)更簡(jiǎn)單一些。這樣就不用在方法內(nèi)部加鎖了，只需要在方法上面加上 [MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)] 就可以了，MehthodImpl和MethodImplOptions都在命名空間System.Runtime.CompilerServices 里面。但要注意這個(gè)屬性會(huì)使整個(gè)方法加鎖，直到方法返回，才釋放鎖。因此，使用上不太靈活。如果要提前釋放鎖，則應(yīng)該使用Monitor或lock。我們來看一個(gè)例子：

[MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]
public void DoSomeWorkSync()
{
Console.WriteLine( " DoSomeWorkSync() -- Lock held by Thread " + 
Thread.CurrentThread.GetHashCode());
Thread.Sleep( 1000 );
Console.WriteLine( " DoSomeWorkSync() -- Lock released by Thread " + 
Thread.CurrentThread.GetHashCode());
}
public void DoSomeWorkNoSync()
{
Console.WriteLine( " DoSomeWorkNoSync() -- Entered Thread is " + 
Thread.CurrentThread.GetHashCode());
Thread.Sleep( 1000 );
Console.WriteLine( " DoSomeWorkNoSync() -- Leaving Thread is " + 
Thread.CurrentThread.GetHashCode());
}

[STAThread]
static void Main( string [] args)
{
MethodImplAttr testObj = new MethodImplAttr();
Thread t1 = new Thread( new ThreadStart(testObj.DoSomeWorkNoSync));
Thread t2 = new Thread( new ThreadStart(testObj.DoSomeWorkNoSync));
t1.Start();
t2.Start();
Thread t3 = new Thread( new ThreadStart(testObj.DoSomeWorkSync));
Thread t4 = new Thread( new ThreadStart(testObj.DoSomeWorkSync));
t3.Start();
t4.Start();

Console.ReadLine(); 
} 

這里，我們有兩個(gè)方法，我們可以對(duì)比一下，一個(gè)是加了屬性MethodImpl的DoSomeWorkSync()，一個(gè)是沒加的DoSomeWorkNoSync()。在方法中Sleep(1000)是為了在第一個(gè)線程還在方法中時(shí)，第二個(gè)線程能夠有足夠的時(shí)間進(jìn)來。對(duì)每個(gè)方法分別起了兩個(gè)線程，我們先來看一下結(jié)果：

可以看出，對(duì)于線程１和２，也就是調(diào)用沒有加屬性的方法的線程，當(dāng)線程２進(jìn)入方法后，還沒有離開，線程１有進(jìn)來了，這就是說，方法沒有同步。我們?cè)賮砜纯淳€程３和４，當(dāng)線程３進(jìn)來后，方法被鎖，直到線程３釋放了鎖以后，線程４才進(jìn)來。
九、同步事件和等待句柄
用lock和Monitor可以很好地起到線程同步的作用，但它們無法實(shí)現(xiàn)線程之間傳遞事件。如果要實(shí)現(xiàn)線程同步的同時(shí)，線程之間還要有交互，就要用到同步事件。同步事件是有兩個(gè)狀態(tài)（終止和非終止）的對(duì)象，它可以用來激活和掛起線程。
同步事件有兩種：AutoResetEvent和 ManualResetEvent。它們之間唯一不同的地方就是在激活線程之后，狀態(tài)是否自動(dòng)由終止變?yōu)榉墙K止。AutoResetEvent自動(dòng)變?yōu)榉墙K止，就是說一個(gè)AutoResetEvent只能激活一個(gè)線程。而ManualResetEvent要等到它的Reset方法被調(diào)用，狀態(tài)才變?yōu)榉墙K止，在這之前，ManualResetEvent可以激活任意多個(gè)線程。
可以調(diào)用WaitOne、WaitAny或WaitAll來使線程等待事件。它們之間的區(qū)別可以查看MSDN。當(dāng)調(diào)用事件的 Set方法時(shí)，事件將變?yōu)榻K止?fàn)顟B(tài)，等待的線程被喚醒。
來看一個(gè)例子，這個(gè)例子是MSDN上的。因?yàn)槭录挥糜谝粋€(gè)線程的激活，所以使用 AutoResetEvent 或 ManualResetEvent 類都可以。

static AutoResetEvent autoEvent;

static void DoWork()
{
Console.WriteLine(" worker thread started, now waiting on event ");
autoEvent.WaitOne();
Console.WriteLine(" worker thread reactivated, now exiting ");
}

[STAThread]
static void Main(string[] args)
{
autoEvent = new AutoResetEvent(false);

Console.WriteLine("main thread starting worker thread ");
Thread t = new Thread(new ThreadStart(DoWork));
t.Start();

Console.WriteLine("main thrad sleeping for 1 second ");
Thread.Sleep(1000);

Console.WriteLine("main thread signaling worker thread ");
autoEvent.Set();

Console.ReadLine(); 
} 

我們先來看一下輸出：

在主函數(shù)中，首先創(chuàng)建一個(gè)AutoResetEvent的實(shí)例，參數(shù)false表示初始狀態(tài)為非終止，如果是true的話，初始狀態(tài)則為終止。然后創(chuàng)建并啟動(dòng)一個(gè)子線程，在子線程中，通過調(diào)用AutoResetEvent的WaitOne方法，使子線程等待指定事件的發(fā)生。然后主線程等待一秒后，調(diào)用AutoResetEvent的Ｓｅｔ方法，使?fàn)顟B(tài)由非終止變?yōu)榻K止，重新激活子線程。

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當(dāng)前標(biāo)題：C#線程同步的幾種方法
文章鏈接：http://bm7419.com/article16/ipdogg.html

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