多线程(6)线程同步

使用多线程很容易，但是如果多个线程同时访问一个共享资源时而不加以控制，就会导致数据损坏。所以多线程并发时，必须要考虑线程同步(或称线程安全)的问题。

什么是线程同步

多个线程同时访问共享资源时，使多个线程顺序(串行)访问共享资源的机制。

注意：

1，共享资源，比如全局变量和静态变量。

2，访问，一般指写操作，读操作无需考虑线程同步。

3，串行，指当一个线程正在访问共享资源时，其它线程等待，直到该线程释放锁。

线程同步带来哪些问题

如果能保证多个线程不会同时访问共享资源，那么就不需要考虑线程同步。

虽然线程同步能保证多线程同时访问共享数据时线程安全，但是同时也会带来以下问题：

1，使用起来繁琐，因为必须找出代码中所有可能由多个线程同时访问的共享数据，并且要用额外的代码将这些代码包围起来，获取和释放一个线程同步锁，而一旦有一处忘记用锁包围，共享数据就会被损坏。

2，损害性能，因为获取和释放一个锁是需要时间的。

3，可能会造成更多的线程被创建，由于线程同步锁一次只允许一个线程访问共享资源，当线程池线程试图获取一个暂时无法获取的锁时，线程池就会创建一个新的线程。

所以，要从设计上尽可能地避免线程同步，实在不能避免的再考虑线程同步。

线程同步的常用解决方案

1，锁

包括lock关键字和Monitor类型。

使用lock关键字实现：

 1 /// <summary>
 2 /// 线程同步计算器
 3 /// </summary>
 4 public class SyncCounter : CounterBase
 5 {
 6     /// <summary>
 7     /// 全局变量
 8     /// </summary>
 9     public int Result = 0;
10
11     private static readonly object lockObj = new object();
12
13     public override void Increase()
14     {
15         lock (lockObj)
16         {
17             Result++;
18         }
19     }
20
21     public override void Decrease()
22     {
23         lock (lockObj)
24         {
25             Result--;
26         }
27     }
28 }

View Code

需要注意的是：

1，lock锁定的对象必须是引用类型，不能是值类型。因为值类型传入会发生装箱，这样每次lock的将是一个不同的对象，就没有办法实现多线程同步了。

2，避免使用public类型的对象，这样很容易导致死锁。因为其它代码也有可能锁定该对象。

3，避免锁定字符串，因为字符串会被CLR暂留(也就是说两个变量的字符串内容相同，.net会把暂留的字符串对象分配给变量)，导致应用程序中锁定的是同一个对象，造成死锁。

使用Monitor实现：

 1 /// <summary>
 2 /// 线程同步计算器
 3 /// </summary>
 4 public class SyncCounter : CounterBase
 5 {
 6     /// <summary>
 7     /// 全局变量
 8     /// </summary>
 9     public int Result = 0;
10
11     private static readonly object lockObj = new object();
12
13     public override void Increase()
14     {
15         Monitor.Enter(lockObj);
16         try
17         {
18             Result++;
19         }
20         finally
21         {
22             Monitor.Exit(lockObj);
23         }
24     }
25
26     public override void Decrease()
27     {
28         Monitor.Enter(lockObj);
29         try
30         {
31             Result--;
32         }
33         finally
34         {
35             Monitor.Exit(lockObj);
36         }
37     }
38 }

View Code

完整代码：

  1 namespace ConsoleApplication28
  2 {
  3     class Program
  4     {
  5         static void Main(string[] args)
  6         {
  7             //同时发起3个异步线程
  8             Console.WriteLine("普通(非线程同步)计算器测试...");
  9             var normalCounter = new NormalCounter();
 10             var tasks = new List<Task>();
 11             var task1 = Task.Factory.StartNew(() =>
 12             {
 13                 TestCounter(normalCounter);
 14             });
 15             tasks.Add(task1);
 16
 17             var task2 = Task.Factory.StartNew(() =>
 18             {
 19                 TestCounter(normalCounter);
 20             });
 21             tasks.Add(task2);
 22
 23             var task3 = Task.Factory.StartNew(() =>
 24             {
 25                 TestCounter(normalCounter);
 26             });
 27             tasks.Add(task3);
 28
 29
 30             Task.WaitAll(tasks.ToArray());
 31             Console.WriteLine("NormalCounter.Result:" + normalCounter.Result);
 32             Console.WriteLine("*******************************************");
 33
 34             Console.WriteLine("线程同步计算器测试...");
 35             var syncCounter = new SyncCounter();
 36             var tasks1 = new List<Task>();
 37             task1 = Task.Factory.StartNew(() =>
 38             {
 39                 TestCounter(syncCounter);
 40             });
 41             tasks1.Add(task1);
 42
 43             task2 = Task.Factory.StartNew(() =>
 44             {
 45                 TestCounter(syncCounter);
 46             });
 47             tasks1.Add(task2);
 48
 49             task3 = Task.Factory.StartNew(() =>
 50             {
 51                 TestCounter(syncCounter);
 52             });
 53             tasks1.Add(task3);
 54
 55             Task.WaitAll(tasks1.ToArray());
 56             Console.WriteLine("SyncCounter.Result:" + syncCounter.Result);
 57
 58             Console.ReadKey();
 59         }
 60
 61         /// <summary>
 62         ///
 63         /// </summary>
 64         /// <param name="counter"></param>
 65         static void TestCounter(CounterBase counter)
 66         {
 67             //100000次加减
 68             for (int i = 0; i < 100000; i++)
 69             {
 70                 counter.Increase();
 71                 counter.Decrease();
 72             }
 73         }
 74     }
 75
 76     /// <summary>
 77     /// 计算器基类
 78     /// </summary>
 79     public abstract class CounterBase
 80     {
 81         /// <summary>
 82         /// 加
 83         /// </summary>
 84         public abstract void Increase();
 85
 86         /// <summary>
 87         /// 减
 88         /// </summary>
 89         public abstract void Decrease();
 90     }
 91
 92     /// <summary>
 93     /// 普通计算器
 94     /// </summary>
 95     public class NormalCounter : CounterBase
 96     {
 97         /// <summary>
 98         /// 全局变量
 99         /// </summary>
100         public int Result = 0;
101
102         public override void Increase()
103         {
104             Result++;
105         }
106
107         public override void Decrease()
108         {
109             Result--;
110         }
111
112     }
113
114     /// <summary>
115     /// 线程同步计算器
116     /// </summary>
117     public class SyncCounter : CounterBase
118     {
119         /// <summary>
120         /// 全局变量
121         /// </summary>
122         public int Result = 0;
123
124         private static readonly object lockObj = new object();
125
126         public override void Increase()
127         {
128             lock (lockObj)
129             {
130                 Result++;
131             }
132         }
133
134         public override void Decrease()
135         {
136             lock (lockObj)
137             {
138                 Result--;
139             }
140         }
141     }
142 }

View Code

lock关键字揭密：

通过查看lock关键字生成的IL代码，如下图：

从上图可以得出以下结论：

lock关键字内部就是使用Monitor类(或者说lock关键字是Monitor的语法糖)，使用lock关键字比直接使用Monitor更好，原因有二。

1，lock语法更简洁。

2，lock确保了即使代码抛出异常，也可以释放锁，因为在finally中调用了Monitor.Exit方法。

2，信号同步

信号同步机制中涉及的类型都继承自抽象类WaitHandle，这些类型有EventWaitHandle（类型化为AutoResetEvent、ManualResetEvent）和Semaphore以及Mutex。关系如下图。

下面是使用信号同步机制的一个简单的例子，如下代码：

 1 namespace WindowsFormsApplication1
 2 {
 3     public partial class Form1 : Form
 4     {
 5         //信号
 6         AutoResetEvent autoResetEvent = new AutoResetEvent(false);
 7
 8         public Form1()
 9         {
10             InitializeComponent();
11
12             CheckForIllegalCrossThreadCalls = false;
13         }
14
15         /// <summary>
16         /// 开始
17         /// </summary>
18         /// <param name="sender"></param>
19         /// <param name="e"></param>
20         private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
21         {
22             Task.Factory.StartNew(() =>
23             {
24                 this.richTextBox1.Text+="线程启动..." + Environment.NewLine;
25                 this.richTextBox1.Text += "开始处理一些实际的工作" + Environment.NewLine;
26                 Thread.Sleep(3000);
27
28                 this.richTextBox1.Text += "我开始等待别的线程给我信号，才愿意继续下去" + Environment.NewLine;
29                 autoResetEvent.WaitOne();
30                 this.richTextBox1.Text += "我继续做一些工作，然后结束了！";
31             });
32         }
33
34         /// <summary>
35         /// 信号同步
36         /// </summary>
37         /// <param name="sender"></param>
38         /// <param name="e"></param>
39         private void button2_Click(object sender, EventArgs e)
40         {
41             //给在autoResetEvent上等待的线程一个信号
42             autoResetEvent.Set();
43         }
44     }
45 }

View Code

运行效果：

1，线程阻塞，等待信号。

2，主线程发送信号，让线程继续执行。

3，线程安全的集合类

我们也可以通过使用.net提供的线程安全的集合类来保证线程安全。在命名空间：System.Collections.Concurrent下。

主要包括：

ConcurrentQueue 线程安全版本的Queue【常用】
ConcurrentStack线程安全版本的Stack
ConcurrentBag线程安全的对象集合
ConcurrentDictionary线程安全的Dictionary【常用】