深入分析C# 线程同步

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：

1. 性能损耗。获取，释放锁，线程上下文建切换都是耗性能的。
2. 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
static void Main()
{
 Thread t = new Thread (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...");
}
 
static void Go()
{
 Console.WriteLine ("在t线程上运行Go方法..."); 
}

//Sleep
static void Main()
{
 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
 static void Main()
{
 Task Task1=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.*

class ThreadSafe
{
 private static object _locker = new object();
 
 void Go()
 {
 lock (_locker)
 {
 ......//共享数据的操作 （Static Method）,使用静态锁确保所有实例排队执行
 }
 }

private object _locker2=new object();
 void GoTo()
 {
 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：

class ThreadSafe
{
 private List <string> _list = new List <string>(); 
 void Test()
 {
 lock (_list)
 {
 _list.Add ("Item 1");
 }
 }
}

Monitors

lock其实是Monitors的简洁写法。

lock (x) 
{ 
 DoSomething(); 
} 

两者其实是一样的。

System.Object obj = (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。

class Program
 {
 //实例化一个互斥锁
 public static Mutex mutex = new Mutex();

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

 public static void MutexMethod()
 {
  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。

 public static class SingleInstance
 {
 private static Mutex m;

 public static bool IsSingleInstance()
 {
  //是否需要创建一个应用
  Boolean isCreateNew = false;
  try
  {
  m = new Mutex(initiallyOwned: true, name: "SingleInstanceMutex", createdNew: out isCreateNew);
  }
  catch (Exception ex)
  {
  
  }
  return isCreateNew;
 }
 }

互斥锁的带有三个参数的构造函数

1. 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。
2. 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。
3. 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。

class ThreadSafe 
{ 
 static AutoResetEvent autoEvent; 

 static void Main() 
 { 
 //使AutoResetEvent处于非终止状态
 autoEvent = new AutoResetEvent(false); 

 Console.WriteLine("主线程运行..."); 
 Thread t = new Thread(DoWork); 
 t.Start(); 

 Console.WriteLine("主线程sleep 1秒..."); 
 Thread.Sleep(1000); 

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

 static void DoWork() 
 { 
 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sleep 1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。

public class ThreadSafe
{
 //创建一个处于非终止状态的ManualResetEvent
 private static ManualResetEvent mre = new ManualResetEvent(false);

 static void Main()
 {
 for(int i = 0; i <= 2; i++)
 {
  Thread t = new Thread(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(int i = 3; i <= 4; i++)
 {
  Thread t = new Thread(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();

 Thread t5 = new Thread(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();
 }


 private static void ThreadProc()
 {
 string name = 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：

1. 将实例变量中的值加载到寄存器中。
2. 增加或减少该值。
3. 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：

• public static int Add (ref int location1, int value); 两个参数相加，且把结果和赋值该第一个参数。
• public static int Increment (ref int location); 自增。
• public static int CompareExchange (ref int location1, int value, int comparand);

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。

 class Program
 {
 // 创建一个对象
 public static ReaderWriterLock readerwritelock = new ReaderWriterLock();
 static void Main(string[] args)
 {
  //创建一个线程读取数据
  Thread t1 = new Thread(Write);
  // t1.Start(1);
  Thread t2 = new Thread(Write);
  //t2.Start(2);
  // 创建10个线程读取数据
  for (int i = 3; i < 6; i++)
  {
  Thread t = new Thread(Read);
  // t.Start(i);
  }

  Console.Read();

 }

 // 写入方法
 public static void Write(object i)
 {
  // 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
 public static void Read(object i)
 {
  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2017/7/5 17:50:01
//线程：1写结束...
//线程：2准备写...
//线程：2 写操作2017/7/5 17:50:02
//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2017/7/5 17:50:54
//线程：5读结束...
//线程：3 读操作2017/7/5 17:50:54
//线程：3读结束...
//线程：4 读操作2017/7/5 17:50:54
//线程：4读结束...

参考：

• MSDN
• 《CLR via C#》

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