深入分析C# 线程同步

2023-07-22 22:59:05 374

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
staticvoidMain()
{
Threadt=newThread(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...");
}

staticvoidGo()
{
Console.WriteLine("在t线程上运行Go方法...");
}

//Sleep
staticvoidMain()
{
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
staticvoidMain()
{
TaskTask1=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.*

classThreadSafe
{
privatestaticobject_locker=newobject();

voidGo()
{
lock(_locker)
{
......//共享数据的操作（StaticMethod）,使用静态锁确保所有实例排队执行
}
}

privateobject_locker2=newobject();
voidGoTo()
{
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：

classThreadSafe
{
privateList_list=newList();
voidTest()
{
lock(_list)
{
_list.Add("Item1");
}
}
}

Monitors

lock其实是Monitors的简洁写法。

lock(x)
{
DoSomething();
}

两者其实是一样的。

System.Objectobj=(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。

classProgram
{
//实例化一个互斥锁
publicstaticMutexmutex=newMutex();

staticvoidMain(string[]args)
{
for(inti=0;i<3;i++)
{
//在不同的线程中调用受互斥锁保护的方法
Threadtest=newThread(MutexMethod);
test.Start();
}
Console.Read();
}

publicstaticvoidMutexMethod()
{
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。

publicstaticclassSingleInstance
{
privatestaticMutexm;

publicstaticboolIsSingleInstance()
{
//是否需要创建一个应用
BooleanisCreateNew=false;
try
{
m=newMutex(initiallyOwned:true,name:"SingleInstanceMutex",createdNew:outisCreateNew);
}
catch(Exceptionex)
{

}
returnisCreateNew;
}
}

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。

classThreadSafe
{
staticAutoResetEventautoEvent;

staticvoidMain()
{
//使AutoResetEvent处于非终止状态
autoEvent=newAutoResetEvent(false);

Console.WriteLine("主线程运行...");
Threadt=newThread(DoWork);
t.Start();

Console.WriteLine("主线程sleep1秒...");
Thread.Sleep(1000);

Console.WriteLine("主线程释放信号...");
autoEvent.Set();
}

staticvoidDoWork()
{
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sleep1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。

publicclassThreadSafe
{
//创建一个处于非终止状态的ManualResetEvent
privatestaticManualResetEventmre=newManualResetEvent(false);

staticvoidMain()
{
for(inti=0;i<=2;i++)
{
Threadt=newThread(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(inti=3;i<=4;i++)
{
Threadt=newThread(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();

Threadt5=newThread(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();
}


privatestaticvoidThreadProc()
{
stringname=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：

publicstaticintAdd(refintlocation1,intvalue);两个参数相加，且把结果和赋值该第一个参数。
publicstaticintIncrement(refintlocation);自增。
publicstaticintCompareExchange(refintlocation1,intvalue,intcomparand);

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。

classProgram
{
//创建一个对象
publicstaticReaderWriterLockreaderwritelock=newReaderWriterLock();
staticvoidMain(string[]args)
{
//创建一个线程读取数据
Threadt1=newThread(Write);
//t1.Start(1);
Threadt2=newThread(Write);
//t2.Start(2);
//创建10个线程读取数据
for(inti=3;i<6;i++)
{
Threadt=newThread(Read);
//t.Start(i);
}

Console.Read();

}

//写入方法
publicstaticvoidWrite(objecti)
{
//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
publicstaticvoidRead(objecti)
{
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2017/7/517:50:01
//线程：1写结束...
//线程：2准备写...
//线程：2写操作2017/7/517:50:02
//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2017/7/517:50:54
//线程：5读结束...
//线程：3读操作2017/7/517:50:54
//线程：3读结束...
//线程：4读操作2017/7/517:50:54
//线程：4读结束...

参考：

MSDN
《CLRviaC#》

以上就是深入分析C#线程同步的详细内容，更多关于c#线程同步的资料请关注毛票票其它相关文章！