[.Net線程處理系列]專題四：線程同步

目錄：

一、線程同步概述

二、線程同步的使用

三 、總結(jié)

一、線程同步概述

    前面的文章都是講創(chuàng)建多線程來實現(xiàn)讓我們能夠更好的響應(yīng)應(yīng)用程序，然而當(dāng)我們創(chuàng)建了多個線程時，就存在多個線程同時訪問一個共享的資源的情況，在這種情況下，就需要我們用到線程同步，線程同步可以防止數(shù)據(jù)（共享資源）的損壞。

然而我們在設(shè)計應(yīng)用程序還是要盡量避免使用線程同步， 因為線程同步會產(chǎn)生一些問題：

1. 它的使用比較繁瑣。因為我們要用額外的代碼把多個線程同時訪問的數(shù)據(jù)包圍起來，并獲取和釋放一個線程同步鎖，如果我們在一個代碼塊忘記獲取鎖，就有可能造成數(shù)據(jù)損壞。
2. 使用線程同步會影響性能，獲取和釋放一個鎖肯定是需要時間的吧，因為我們在決定哪個線程先獲取鎖時候， CPU必須進(jìn)行協(xié)調(diào)，進(jìn)行這些額外的工作就會對性能造成影響
3. 因為線程同步一次只允許一個線程訪問資源，這樣就會阻塞線程，阻塞線程會造成更多的線程被創(chuàng)建，這樣CPU就有可能要調(diào)度更多的線程，同樣也對性能造成了影響。

所以在實際的設(shè)計中還是要盡量避免使用線程同步，因此我們要避免使用一些共享數(shù)據(jù)，例如靜態(tài)字段。

二、線程同步的使用

2.1 對于使用鎖性能的影響

上面已經(jīng)說過使用鎖將會對性能產(chǎn)生影響， 下面通過比較使用鎖和不使用鎖時消耗的時間來說明這點

using System;  
using System.Diagnostics;  
using System.Threading;  
 
namespace InterlockedSample  
{  
    // 比較使用鎖和不使用鎖鎖消耗的時間  
    // 通過時間來說明使用鎖性能的影響  
    class Program  
    {  
        static void Main(string[] args)  
        {  
            int x = 0;  
            // 迭代次數(shù)為500萬  
            const int iterationNumber = 5000000;   
            // 不采用鎖的情況  
            // StartNew方法 對新的 Stopwatch 實例進(jìn)行初始化，將運(yùn)行時間屬性設(shè)置為零，然后開始測量運(yùn)行時間。  
            Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();  
            for (int i = 0; i < iterationNumber; i++)  
            {  
                x++;  
            }  
 
            Console.WriteLine("Use the all time is :{0} ms", sw.ElapsedMilliseconds);  
 
            sw.Restart();  
            // 使用鎖的情況  
            for (int i = 0; i < iterationNumber; i++)  
            {  
                Interlocked.Increment(ref x);  
            }  
            Console.WriteLine("Use the all time is :{0} ms", sw.ElapsedMilliseconds);  
            Console.Read();  
        }  
    }  
} 

運(yùn)行結(jié)果（這是在我電腦上運(yùn)行的結(jié)果）從結(jié)果中可以看出加了鎖的運(yùn)行速度慢了好多（慢了11倍 197/18 ）：

2.2 Interlocked實現(xiàn)線程同步

Interlocked類提供了為多個線程共享的變量提供原子操作，當(dāng)我們在多線程中對一個整數(shù)進(jìn)行遞增操作時，就需要實現(xiàn)線程同步。

因為增加變量操作（++運(yùn)算符）不是一個原子操作，需要執(zhí)行下列步驟：

1）將實例變量中的值加載到寄存器中。

2）增加或減少該值。

3）在實例變量中存儲該值。

如果不使用 Interlocked.Increment方法，線程可能會在執(zhí)行完前兩個步驟后被搶先。然后由另一個線程執(zhí)行所有三個步驟，此時第一個線程還沒有把變量的值存儲到實例變量中去，而另一個線程就可以把實例變量加載到寄存器里面讀取了（此時加載的值并沒有改變），所以會導(dǎo)致出現(xiàn)的結(jié)果不是我們預(yù)期的，相信這樣的解釋可以幫助大家更好的理解Interlocked.Increment方法和 原子性操作，

下面通過一段代碼來演示下加鎖和不加鎖的區(qū)別（開始講過加鎖會對性能產(chǎn)生影響，這里將介紹加鎖來解決線程同步的問題，得到我們預(yù)期的結(jié)果）：

不加鎖的情況：

 

class Program  
    {  
        static void Main(string[] args)  
        {     for (int i = 0; i < 10; i++)  
            {  
                Thread testthread = new Thread(Add);  
                testthread.Start();  
            }  
 
            Console.Read();  
        }  
        // 共享資源  
        public static int number = 1;  
 
        public static void Add()  
        {  
            Thread.Sleep(1000);  
            Console.WriteLine("the current value of number is:{0}", ++number);  
        }  
} 

運(yùn)行結(jié)果(不同電腦上可能運(yùn)行的結(jié)果和我的不一樣，但是都是得到不是預(yù)期的結(jié)果的)：

為了解決這樣的問題，我們可以通過使用 Interlocked.Increment方法來實現(xiàn)原子的自增操作。

代碼很簡單，只需要把++number改成Interlocked.Increment(ref number)就可以得到我們預(yù)期的結(jié)果了，在這里代碼和運(yùn)行結(jié)果就不貼了。

總之 Interlocked類中的方法都是執(zhí)行一次原子讀取以及寫入的操作的。

2.3 Monitor實現(xiàn)線程同步

對于上面那個情況也可以通過Monitor.Enter和Monitor.Exit方法來實現(xiàn)線程同步。C#中通過lock關(guān)鍵字來提供簡化的語法(lock可以理解為Monitor.Enter和Monitor.Exit方法的語法糖),代碼也很簡單：

using System;  
using System.Threading;  
 
namespace MonitorSample  
{  
    class Program  
    {  
        static void Main(string[] args)  
        {  
            for (int i = 0; i < 10; i++)  
            {  
                Thread testthread = new Thread(Add);  
                testthread.Start();  
            }  
 
            Console.Read();  
        }  
 
        // 共享資源  
        public static int number = 1;  
 
        public static void Add()  
        {  
            Thread.Sleep(1000);  
            //獲得排他鎖  
            Monitor.Enter(number);  
 
            Console.WriteLine("the current value of number is:{0}", number++);  
 
            // 釋放指定對象上的排他鎖。  
            Monitor.Exit(number);  
        }  
    }  
} 

    在 Monitor類中還有其他幾個方法在這里也介紹，只是讓大家引起注意下，一個Wait方法，很明顯Wait方法的作用是：釋放某個對象上的鎖以便允許其他線程鎖定和訪問這個對象。第二個就是TryEnter方法，這個方法與Enter方法主要的區(qū)別在于是否阻塞當(dāng)前線程，當(dāng)一個對象通過Enter方法獲取鎖，而沒有執(zhí)行Exit方法釋放鎖，當(dāng)另一個線程想通過Enter獲得鎖時，此時該線程將會阻塞，直到另一個線程釋放鎖為止，而TryEnter不會阻塞線程。具體代碼就不不寫出來了。

2.4 ReaderWriterLock實現(xiàn)線程同步

    如果我們需要對一個共享資源執(zhí)行多次讀取時，然而用前面所講的類實現(xiàn)的同步鎖都只允許一個線程允許，所有線程將阻塞，但是這種情況下肯本沒必要堵塞其他線程， 應(yīng)該讓它們并發(fā)的執(zhí)行，因為我們此時只是進(jìn)行讀取操作，此時通過ReaderWriterLock類可以很好的實現(xiàn)讀取并行。

演示代碼為：

using System;  
using System.Collections.Generic;  
using System.Threading;  
 
namespace ReaderWriterLockSample  
{  
    class Program  
    {  
        public static List<int> lists = new List<int>();  
 
        // 創(chuàng)建一個對象  
        public static ReaderWriterLock readerwritelock = new ReaderWriterLock();  
        static void Main(string[] args)  
        {  
            //創(chuàng)建一個線程讀取數(shù)據(jù)  
            Thread t1 = new Thread(Write);  
            t1.Start();  
            // 創(chuàng)建10個線程讀取數(shù)據(jù)  
            for (int i = 0; i < 10; i++)  
            {  
                Thread t = new Thread(Read);  
                t.Start();  
            }  
 
            Console.Read();  
                  
        }  
 
        // 寫入方法  
        public static void Write()  
        {  
            // 獲取寫入鎖，以10毫秒為超時。  
            readerwritelock.AcquireWriterLock(10);  
            Random ran = new Random();  
            int count = ran.Next(1, 10);  
            lists.Add(count);  
            Console.WriteLine("Write the data is:" + count);  
            // 釋放寫入鎖  
            readerwritelock.ReleaseWriterLock();  
        }  
 
        // 讀取方法  
        public static void Read()  
        {  
            // 獲取讀取鎖  
            readerwritelock.AcquireReaderLock(10);  
            foreach (int li in lists)  
            {  
                // 輸出讀取的數(shù)據(jù)  
                Console.WriteLine(li);  
            }  
            // 釋放讀取鎖  
            readerwritelock.ReleaseReaderLock();  
        }  
    }  
} 

 

運(yùn)行結(jié)果：

 三、總結(jié)

    本文中主要介紹如何實現(xiàn)多線程同步的問題， 通過線程同步可以防止共享數(shù)據(jù)的損壞，但是由于獲取鎖的過程會有性能損失，所以在設(shè)計應(yīng)用過程中盡量減少線程同步的使用。本來還要介紹互斥(Mutex), 信號量(Semaphore), 事件構(gòu)造的， 由于篇幅的原因怕影響大家的閱讀，所以這剩下的內(nèi)容放在后面介紹的。