在多线程(线程同步)中,我们将学习多线程中操作共享资源的技术,学习到的知识点如下所示:

  • 执行基本的原子操作
  • 使用Mutex构造
  • 使用SemaphoreSlim构造
  • 使用AutoResetEvent构造
  • 使用ManualResetEventSlim构造
  • 使用CountdownEvent构造
  • 使用Barrier构造
  • 使用ReaderWriterLockSlim构造
  • 使用SpinWait构造

 一、执行基本的原子操作

  在这一小节中,我们将学习如何在没有阻塞线程(blocking threads)发生的情况下,在一个对象上执行基本的原子操作并能阻止竞争条件(race condition)的发生。操作步骤如下所示:

1、使用Visual Studio 2015创建一个新的控制台应用程序。

2、双击打开“Program.cs”文件,编写代码如下所示:

 using System;
using System.Threading;
using static System.Console; namespace Recipe01
{
abstract class CounterBase
{
public abstract void Increment(); public abstract void Decrement();
} class Counter : CounterBase
{
private int count; public int Count => count; public override void Increment()
{
count++;
} public override void Decrement()
{
count--;
}
} class CounterNoLock : CounterBase
{
private int count; public int Count => count; public override void Increment()
{
Interlocked.Increment(ref count);
} public override void Decrement()
{
Interlocked.Decrement(ref count);
}
} class Program
{
static void TestCounter(CounterBase c)
{
for (int i = ; i < ; i++)
{
c.Increment();
c.Decrement();
}
} static void Main(string[] args)
{
WriteLine("Incorrect counter"); var c1 = new Counter(); var t1 = new Thread(() => TestCounter(c1));
var t2 = new Thread(() => TestCounter(c1));
var t3 = new Thread(() => TestCounter(c1));
t1.Start();
t2.Start();
t3.Start();
t1.Join();
t2.Join();
t3.Join(); WriteLine($"Total count: {c1.Count}");
WriteLine("--------------------------"); WriteLine("Correct counter"); var c2 = new CounterNoLock(); t1 = new Thread(() => TestCounter(c2));
t2 = new Thread(() => TestCounter(c2));
t3 = new Thread(() => TestCounter(c2));
t1.Start();
t2.Start();
t3.Start();
t1.Join();
t2.Join();
t3.Join(); WriteLine($"Total count: {c2.Count}");
}
}
}

3、运行该控制台应用程序,运行效果(每次运行效果可能不同)如下图所示:

  在第63行代码处,我们创建了一个非线程安全的Counter类的一个对象c1,由于它是非线程安全的,因此会发生竞争条件(race condition)。

  在第65~67行代码处,我们创建了三个线程来运行c1对象的“TestCounter”方法,在该方法中,我们按顺序对c1对象的count变量执行自增和自减操作。由于c1不是线程安全的,因此在这种情况下,我们得到的counter值是不确定的,我们可以得到0值,但多运行几次,多数情况下会得到不是0值得错误结果。

  在多线程(基础篇)中,我们使用lock关键字锁定对象来解决这个问题,但是使用lock关键字会造成其他线程的阻塞。但是,在本示例中我们没有使用lock关键字,而是使用了Interlocked构造,它对于基本的数学操作提供了自增(Increment)、自减(Decrement)以及其他一些方法。

二、使用Mutex构造

  在这一小节中,我们将学习如何使用Mutex构造同步两个单独的程序,即进程间的同步。具体步骤如下所示:

1、使用Visual Studio 2015创建一个新的控制台应用程序。

2、双击打开“Program.cs”文件,编写代码如下所示:

 using System;
using System.Threading;
using static System.Console; namespace Recipe02
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
const string MutexName = "Multithreading"; using (var m = new Mutex(false, MutexName))
{
// WaitOne方法的作用是阻止当前线程,直到收到其他实例释放的处理信号。
// 第一个参数是等待超时时间,第二个是否退出上下文同步域。
if (!m.WaitOne(TimeSpan.FromSeconds(), false))
{
WriteLine("Second instance is running!");
ReadLine();
}
else
{
WriteLine("Running!");
ReadLine();
// 释放互斥资源
m.ReleaseMutex();
}
} ReadLine();
}
}
}

3、编译代码,执行两次该程序,运行效果如下所示:

第一种情况的运行结果:

第二种情况的运行结果:

  在第11行代码处,我们定义了一个mutex(互斥量)的名称为“Multithreading”,并在第13行代码处将其传递给了Mutex类的构造方法,该构造方法的第一个参数initialOwner我们赋值为false,这允许程序获得一个已经被创建的mutex。如果没有任何线程锁定互斥资源,程序只简单地显示“Running”,然后等待按下任何键以释放互斥资源。

  如果我们启动该程序的第二个实例,如果在10秒内我们没有在第一个实例下按下任何按钮以释放互斥资源,那么在第二个实例中就会显示“Second instance is running!”,如第一种情况的运行结果所示。如果在10内我们在第一个实例中按下任何键以释放互斥资源,那么在第二个实例中就会显示“Running”,如第二种情况的运行结果所示。

三、使用SemaphoreSlim构造

  在这一小节中,我们将学习如何在SemaphoreSlim构造的帮助下,限制同时访问资源的线程数量。具体步骤如下所示:

1、使用Visual Studio 2015创建一个新的控制台应用程序。

2、双击打开“Program.cs”文件,编写代码如下所示:

 using System;
using System.Threading;
using static System.Console;
using static System.Threading.Thread; namespace Recipe03
{
class Program
{
static SemaphoreSlim semaphore = new SemaphoreSlim(); static void AccessDatabase(string name, int seconds)
{
WriteLine($"{name} waits to access a database");
semaphore.Wait();
WriteLine($"{name} was granted an access to a database");
Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
WriteLine($"{name} is completed");
semaphore.Release();
} static void Main(string[] args)
{
for(int i = ; i <= ; i++)
{
string threadName = "Thread" + i;
int secondsToWait = + * i;
var t = new Thread(() => AccessDatabase(threadName, secondsToWait));
t.Start();
}
}
}
}

3、运行该控制台应用程序,运行效果(每次运行效果可能不同)如下图所示:

  在第10行代码处,我们创建了一个SemaphoreSlim的实例,并对该构造方法传递了参数4,该参数指定了可以有多少个线程同时访问资源。然后,我们启动了6个不同名字的线程。每个线程都试着获取对数据库的访问,但是,我们限制了最多只有4个线程可以访问数据库,因此,当4个线程访问数据库后,其他2个线程必须等待,直到其他线程完成其工作后,调用“Release”方法释放资源之后才能访问数据库。

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