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[.Net線程處理系列]專題四：線程同步

目錄：

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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(lái)實(shí)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(gè)線程時(shí)，就存在多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)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?cè)谠O(shè)計(jì)應(yīng)用程序還是要盡量避免使用線程同步， 因?yàn)榫€程同步會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題：

  1. 它的使用比較繁瑣。因?yàn)槲覀円妙~外的代碼把多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)的數(shù)據(jù)包圍起來(lái)，并獲取和釋放一個(gè)線程同步鎖，如果我們?cè)谝粋€(gè)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(huì)影響性能，獲取和釋放一個(gè)鎖肯定是需要時(shí)間的吧，因?yàn)槲覀冊(cè)跊Q定哪個(gè)線程先獲取鎖時(shí)候， CPU必須進(jìn)行協(xié)調(diào)，進(jìn)行這些額外的工作就會(huì)對(duì)性能造成影響
  3. 因?yàn)榫€程同步一次只允許一個(gè)線程訪問(wèn)資源，這樣就會(huì)阻塞線程，阻塞線程會(huì)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(duì)性能造成了影響。

所以在實(shí)際的設(shè)計(jì)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(duì)于使用鎖性能的影響

上面已經(jīng)說(shuō)過(guò)使用鎖將會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響， 下面通過(guò)比較使用鎖和不使用鎖時(shí)消耗的時(shí)間來(lái)說(shuō)明這點(diǎn)

  1. using System;  
  2. using System.Diagnostics;  
  3. using System.Threading;  
  4.  
  5. namespace InterlockedSample  
  6. {  
  7.     // 比較使用鎖和不使用鎖鎖消耗的時(shí)間 
  8.     // 通過(guò)時(shí)間來(lái)說(shuō)明使用鎖性能的影響 
  9.     class Program  
  10.     {  
  11.         static void Main(string[] args)  
  12.         {  
  13.             int x = 0;  
  14.             // 迭代次數(shù)為500萬(wàn) 
  15.             const int iterationNumber = 5000000;   
  16.             // 不采用鎖的情況 
  17.             // StartNew方法 對(duì)新的 Stopwatch 實(shí)例進(jìn)行初始化，將運(yùn)行時(shí)間屬性設(shè)置為零，然后開始測(cè)量運(yùn)行時(shí)間。 
  18.             Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();  
  19.             for (int i = 0; i < iterationNumber; i++)  
  20.             {  
  21.                 x++;  
  22.             }  
  23.  
  24.             Console.WriteLine("Use the all time is :{0} ms", sw.ElapsedMilliseconds);  
  25.  
  26.             sw.Restart();  
  27.             // 使用鎖的情況 
  28.             for (int i = 0; i < iterationNumber; i++)  
  29.             {  
  30.                 Interlocked.Increment(ref x);  
  31.             }  
  32.             Console.WriteLine("Use the all time is :{0} ms", sw.ElapsedMilliseconds);  
  33.             Console.Read();  
  34.         }  
  35.     }  
  36. } 
 
 

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 ）：[.Net線程處理系列]專題四：線程同步

2.2 Interlocked實(shí)現(xiàn)線程同步

Interlocked類提供了為多個(gè)線程共享的變量提供原子操作，當(dāng)我們?cè)诙嗑€程中對(duì)一個(gè)整數(shù)進(jìn)行遞增操作時(shí)，就需要實(shí)現(xiàn)線程同步。

因?yàn)樵黾幼兞坎僮鳎?+運(yùn)算符）不是一個(gè)原子操作，需要執(zhí)行下列步驟：

1）將實(shí)例變量中的值加載到寄存器中。

2）增加或減少該值。

3）在實(shí)例變量中存儲(chǔ)該值。

如果不使用 Interlocked.Increment方法，線程可能會(huì)在執(zhí)行完前兩個(gè)步驟后被搶先。然后由另一個(gè)線程執(zhí)行所有三個(gè)步驟，此時(shí)第一個(gè)線程還沒(méi)有把變量的值存儲(chǔ)到實(shí)例變量中去，而另一個(gè)線程就可以把實(shí)例變量加載到寄存器里面讀取了（此時(shí)加載的值并沒(méi)有改變），所以會(huì)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(guò)一段代碼來(lái)演示下加鎖和不加鎖的區(qū)別（開始講過(guò)加鎖會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響，這里將介紹加鎖來(lái)解決線程同步的問(wèn)題，得到我們預(yù)期的結(jié)果）：

不加鎖的情況：

 
  1. class Program  
  2.     {  
  3.         static void Main(string[] args)  
  4.         {     for (int i = 0; i < 10; i++)  
  5.             {  
  6.                 Thread testthread = new Thread(Add);  
  7.                 testthread.Start();  
  8.             }  
  9.  
  10.             Console.Read();  
  11.         }  
  12.         // 共享資源 
  13.         public static int number = 1;  
  14.  
  15.         public static void Add()  
  16.         {  
  17.             Thread.Sleep(1000);  
  18.             Console.WriteLine("the current value of number is:{0}", ++number);  
  19.         }  
  20. } 
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)：[.Net線程處理系列]專題四：線程同步

為了解決這樣的問(wèn)題，我們可以通過(guò)使用 Interlocked.Increment方法來(lái)實(shí)現(xiàn)原子的自增操作。

代碼很簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)線程同步

對(duì)于上面那個(gè)情況也可以通過(guò)Monitor.Enter和Monitor.Exit方法來(lái)實(shí)現(xiàn)線程同步。C#中通過(guò)lock關(guān)鍵字來(lái)提供簡(jiǎn)化的語(yǔ)法(lock可以理解為Monitor.Enter和Monitor.Exit方法的語(yǔ)法糖),代碼也很簡(jiǎn)單：

  1. using System;  
  2. using System.Threading;  
  3.  
  4. namespace MonitorSample  
  5. {  
  6.     class Program  
  7.     {  
  8.         static void Main(string[] args)  
  9.         {  
  10.             for (int i = 0; i < 10; i++)  
  11.             {  
  12.                 Thread testthread = new Thread(Add);  
  13.                 testthread.Start();  
  14.             }  
  15.  
  16.             Console.Read();  
  17.         }  
  18.  
  19.         // 共享資源 
  20.         public static int number = 1;  
  21.  
  22.         public static void Add()  
  23.         {  
  24.             Thread.Sleep(1000);  
  25.             //獲得排他鎖 
  26.             Monitor.Enter(number);  
  27.  
  28.             Console.WriteLine("the current value of number is:{0}", number++);  
  29.  
  30.             // 釋放指定對(duì)象上的排他鎖。 
  31.             Monitor.Exit(number);  
  32.         }  
  33.     }  
  34. } 
運(yùn)行結(jié)果當(dāng)然是我們所期望的：

[.Net線程處理系列]專題四：線程同步

    在 Monitor類中還有其他幾個(gè)方法在這里也介紹，只是讓大家引起注意下，一個(gè)Wait方法，很明顯Wait方法的作用是：釋放某個(gè)對(duì)象上的鎖以便允許其他線程鎖定和訪問(wèn)這個(gè)對(duì)象。第二個(gè)就是TryEnter方法，這個(gè)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(gè)對(duì)象通過(guò)Enter方法獲取鎖，而沒(méi)有執(zhí)行Exit方法釋放鎖，當(dāng)另一個(gè)線程想通過(guò)Enter獲得鎖時(shí)，此時(shí)該線程將會(huì)阻塞，直到另一個(gè)線程釋放鎖為止，而TryEnter不會(huì)阻塞線程。具體代碼就不不寫出來(lái)了。

2.4 ReaderWriterLock實(shí)現(xiàn)線程同步

    如果我們需要對(duì)一個(gè)共享資源執(zhí)行多次讀取時(shí)，然而用前面所講的類實(shí)現(xiàn)的同步鎖都只允許一個(gè)線程允許，所有線程將阻塞，但是這種情況下肯本沒(méi)必要堵塞其他線程， 應(yīng)該讓它們并發(fā)的執(zhí)行，因?yàn)槲覀兇藭r(shí)只是進(jìn)行讀取操作，此時(shí)通過(guò)ReaderWriterLock類可以很好的實(shí)現(xiàn)讀取并行。

演示代碼為：

  1. using System;  
  2. using System.Collections.Generic;  
  3. using System.Threading;  
  4.  
  5. namespace ReaderWriterLockSample  
  6. {  
  7.     class Program  
  8.     {  
  9.         public static List lists = new List();  
  10.  
  11.         // 創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象 
  12.         public static ReaderWriterLock readerwritelock = new ReaderWriterLock();  
  13.         static void Main(string[] args)  
  14.         {  
  15.             //創(chuàng)建一個(gè)線程讀取數(shù)據(jù) 
  16.             Thread t1 = new Thread(Write);  
  17.             t1.Start();  
  18.             // 創(chuàng)建10個(gè)線程讀取數(shù)據(jù) 
  19.             for (int i = 0; i < 10; i++)  
  20.             {  
  21.                 Thread t = new Thread(Read);  
  22.                 t.Start();  
  23.             }  
  24.  
  25.             Console.Read();  
  26.                   
  27.         }  
  28.  
  29.         // 寫入方法 
  30.         public static void Write()  
  31.         {  
  32.             // 獲取寫入鎖，以10毫秒為超時(shí)。 
  33.             readerwritelock.AcquireWriterLock(10);  
  34.             Random ran = new Random();  
  35.             int count = ran.Next(1, 10);  
  36.             lists.Add(count);  
  37.             Console.WriteLine("Write the data is:" + count);  
  38.             // 釋放寫入鎖 
  39.             readerwritelock.ReleaseWriterLock();  
  40.         }  
  41.  
  42.         // 讀取方法 
  43.         public static void Read()  
  44.         {  
  45.             // 獲取讀取鎖 
  46.             readerwritelock.AcquireReaderLock(10);  
  47.             foreach (int li in lists)  
  48.             {  
  49.                 // 輸出讀取的數(shù)據(jù) 
  50.                 Console.WriteLine(li);  
  51.             }  
  52.             // 釋放讀取鎖 
  53.             readerwritelock.ReleaseReaderLock();  
  54.         }  
  55.     }  
  56. } 
 
運(yùn)行結(jié)果：[.Net線程處理系列]專題四：線程同步

 三、總結(jié)

    本文中主要介紹如何實(shí)現(xiàn)多線程同步的問(wèn)題， 通過(guò)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(guò)程會(huì)有性能損失，所以在設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中盡量減少線程同步的使用。本來(lái)還要介紹互斥(Mutex), 信號(hào)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。

 


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新聞來(lái)源：http://fisionsoft.com.cn/article/gdohdd.html