在.Net架構中 C# 實現多線程的同步方法詳解

作者：劉雷

 

本文主要描述在C#中線程同步的方法。線程的基本概念網上資料也很多就不再贅述了。直接接入主題，在多線程開發的應用中，線程同步是不可避免的。在.Net架構中，實現線程同步主要通過以下的幾種方式來實現，在MSDN的線程指南中已經講了幾種，本文結合作者實際中用到的方式一起說明一下。

 

1. 維護自由鎖(InterLocked)實現同步

2. 監視器（Monitor）和互斥鎖（lock）

3. 讀寫鎖（ReadWriteLock)

4. 系統核心對象

1) 互斥(Mutex), 訊號量(Semaphore),
事件(AutoResetEvent/ManualResetEvent)

2) 線程池

 

除了以上的這些對象之外實現線程同步的還可以使用Thread.Join方法。這種方法比較簡單，當你在第一個線程運行時想等待第二個線程執行結果，那麼你可以讓第二個線程Join進來就可以了。

 

自由鎖(InterLocked)

 

對一個32位的整型數進行遞增和遞減操作來實現鎖，有人會問為什麼不用++或--來操作。因為在多線程中對鎖進行操作必須是原子的，而++和--不具備這個能力。InterLocked類還提供了兩個另外的函數Exchange,
CompareExchange用於實現交換和比較交換。Exchange操作會將新值設定到變數中並返回變數的原來值: int oVal =
InterLocked.Exchange(ref val, 1)。

 

監視器(Monitor)

在MSDN中對Monitor的描述是: Monitor 類通過向單個線程授予對象鎖來控制對對象的訪問。

Monitor類是一個靜態類因此你不能通過執行個體化來得到類的對象。Monitor的成員可以查看MSDN，基本上Monitor的效果和lock是一樣的，通過加鎖操作Enter設定臨界區，完成操作後使用Exit操作來釋放對象鎖。不過相對來說Monitor的功能更強，Moniter可以進行測試鎖的狀態，因此你可以控制對臨界區的訪問選擇，等待or離開,
而且Monitor還可以在釋放鎖之前通知指定的對象，更重要的是使用Monitor可以跨越方法來操作。Monitor提供的方法很少就只有擷取鎖的方法Enter,
TryEnter；釋放鎖的方法Wait, Exit；還有訊息通知方法Pulse, PulseAll。經典的Monitor操作是這樣的：

 

 

// 通監視器來建立臨界區 static public void DelUser(string name) { try { // 等待線程進入 Monitor.Enter(Names); Names.Remove(name); Console.WriteLine("Del: {0}", Names.Count); Monitor.Pulse(Names); } finally { // 釋放對象鎖 Monitor.Exit(Names); } } }

 

其中Names是一個List,
這裡有一個小技巧，如果你想聲明整個方法為線程同步可以使用方法屬性：

 

 

// 通過屬性設定整個方法為臨界區 [MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)] static public void AddUser(string name) { Names.Add(name); Console.WriteLine("Add: {0}",Names.Count); }

對於Monitor的使用有一個方法是比較詭異的，那就是Wait方法。在MSDN中對Wait的描述是:
釋放對象上的鎖以便允許其他線程鎖定和訪問該對象。

這裡提到的是先釋放鎖，那麼顯然我們需要先得到鎖，否則調用Wait會出現異常，所以我們必須在Wait前面調用Enter方法或其他擷取鎖的方法，如lock，這點很重要。對應Enter方法，Monitor給出來另一種實現TryEnter。這兩種方法的主要區別在於是否阻塞當前線程，Enter方法在擷取不到鎖時，會阻塞當前線程直到得到鎖。不過缺點是如果永遠得不到鎖那麼程式就會進入死結狀態。我們可以採用Wait來解決，在調用Wait時加入逾時時限就可以。

 

if (Monitor.TryEnter(Names)) { Monitor.Wait(Names, 1000); // !! Names.Remove(name); Console.WriteLine("Del: {0}", Names.Count); Monitor.Pulse(Names); }

互斥鎖(lock)

lock關鍵字是實現線程同步的比較簡單的方式，其實就是設定一個臨界區。在lock之後的{...}區塊為一個臨界區，當進入臨界區時加互斥鎖，離開臨界區時釋放互斥鎖。MSDN對lock關鍵字的描述是:
lock 關鍵字可將語句塊標記為臨界區，方法是擷取給定對象的互斥鎖，執行語句，然後釋放該鎖。

具體例子如下:

 

static public void ThreadFunc(object name) { string str = name as string; Random rand = new Random(); int count = rand.Next(100, 200); for (int i = 0; i < count; i++) { lock (NumList) { NumList.Add(i); Console.WriteLine("{0} {1}", str, i); } } }

對lock的使用有幾點建議：對執行個體鎖定lock(this),對靜態變數鎖定lock(typeof(val))。lock的對象存取權限最好是private，否則會出現失去存取控制現象。

讀寫鎖（ReadWriteLock)

讀寫鎖的出現主要是在很多情況下，我們讀資源的操作要多於寫資源的操作。但是如果每次只對資源賦予一個線程的存取權限顯然是低效的，讀寫鎖的優勢是同時可以有多個線程對同一資源進行讀操作。因此在讀操作比寫操作多很多，並且寫操作的時間很短的情況下使用讀寫鎖是比較有效率的。讀寫鎖是一個非靜態類所以你在使用前需要先聲明一個讀寫鎖對象：

static private ReaderWriterLock _rwlock = new
ReaderWriterLock();

讀寫鎖是通過調用AcquireReaderLock，ReleaseReaderLock，AcquireWriterLock，ReleaseWriterLock來完成讀鎖和寫鎖控制的

 

 

static public void ReaderThread(int thrdId) { try { // 請求讀鎖，如果100ms逾時退出 _rwlock.AcquireReaderLock(10); try { int inx = _rand.Next(_list.Count); if (inx < _list.Count) Console.WriteLine("{0}thread {1}", thrdId, _list[inx]); } finally { _rwlock.ReleaseReaderLock(); } } catch (ApplicationException) // 如果請求讀鎖失敗 { Console.WriteLine("{0}thread get reader lock out time!", thrdId); } } static public void WriterThread() { try { // 請求寫鎖 _rwlock.AcquireWriterLock(100); try { string val = _rand.Next(200).ToString(); _list.Add(val); // 寫入資源 Console.WriteLine("writer thread has written {0}", val); } finally { // 釋放寫鎖 _rwlock.ReleaseWriterLock(); } } catch (ApplicationException) { Console.WriteLine("Get writer thread lock out time!"); } }

如果你想在讀的時候插入寫操作請使用UpgradeToWriterLock和DowngradeFromWriterLock來進行操作，而不是釋放讀鎖。

 

static private void UpgradeAndDowngrade(int thrdId) { try { _rwlock.AcquireReaderLock(10); try { try { // 提升讀鎖到寫鎖 LockCookie lc = _rwlock.UpgradeToWriterLock(100); try { string val = _rand.Next(500).ToString(); _list.Add(val); Console.WriteLine("Upgrade Thread{0} add {1}", thrdId, val); } finally { // 下降寫鎖 _rwlock.DowngradeFromWriterLock(ref lc); } } catch (ApplicationException) { Console.WriteLine("{0}thread upgrade reader lock failed!", thrdId); } } finally { // 釋放原來的讀鎖 _rwlock.ReleaseReaderLock(); } } catch (ApplicationException) { Console.WriteLine("{0}thread get reader lock out time!", thrdId); } }

 

這裡有一點要注意的就是讀鎖和寫鎖的逾時等待時間間隔的設定。通常情況下設定寫鎖的等待逾時要比讀鎖的長，否則會經常發生寫鎖等待失敗的情況。

系統核心對象 互斥對象（Mutex）

 

互斥對象的作用有點類似於監視器對象，確保一個代碼塊在同一時刻只有一個線程在執行。互斥對象和監視器對象的主要區別就是，互斥對象一般用於跨進程間的線程同步，而監視器對象則用於進程內的線程同步。互斥對象有兩種：一種是命名互斥；另一種是匿名互斥。在跨進程中使用到的就是命名互斥，一個已命名的互斥就是一個系統級的互斥，它可以被其他進程所使用，只要在建立互斥時指定開啟互斥的名稱就可以。在.Net中互斥是通過Mutex類來實現。

其實對於OpenExisting函數有兩個重載版本，

Mutex.OpenExisting (String)

Mutex.OpenExisting (String, MutexRights)

對於預設的第一個函數其實是實現了第二個函數
MutexRights.Synchronize|MutexRights.Modify操作。

由於監視器的設計是基於.Net架構，而Mutex類是系統核心對象封裝了win32的一個核心結構來實現互斥，並且互斥操作需要請求中斷來完成，因此在進行進程內線程同步的時候效能上要比互斥要好。

典型的使用Mutex同步需要完成三個步驟的操作：1.開啟或者建立一個Mutex執行個體；2.調用WaitOne()來請求互斥對象；3.最後調用ReleaseMutex來釋放互斥對象。

 

static public void AddString(string str) { // 設定逾時時限並在wait前退出非預設託管上下文 if (_mtx.WaitOne(1000, true)) { _resource.Add(str); _mtx.ReleaseMutex(); } }

 

需要注意的是，WaitOne和ReleaseMutex必須成對出現，否則會導致進程死結的發生，這時系統（.Net2.0）架構會拋出AbandonedMutexException異常。

 

訊號量(Semaphore)

 

訊號量就像一個夜總會：它有確切的容量，並被保鏢控制。一旦滿員，就沒有人能再進入，其他人必須在外面排隊。那麼在裡面離開一個人後，隊頭的人就可以進入。訊號量的建構函式需要提供至少兩個參數-現有的人數和最大的人數。

訊號量的行為有點類似於Mutex或是lock，但是訊號量沒有擁有者。任意線程都可以調用Release來釋放訊號量而不像Mutex和lock那樣需要線程得到資源才能釋放。

 

class SemaphoreTest { static Semaphore s = new Semaphore(3, 3); // 當前值=3; 容量=3 static void Main() { for (int i = 0; i < 10; i++) new Thread(Go).Start(); } static void Go() { while (true) { s.WaitOne(); Thread.Sleep(100); // 一次只有個線程能被處理 s.Release(); } } } 事件(ManualResetEvent/AutoResetEvent) < src="http://blog.csdn.net/count.aspx?ID=1857459&Type=Rank" type="text/javascript">

AutoResetEvent

 

 

一個AutoResetEvent象是一個"檢票輪盤"：插入一張通行證然後讓一個人通過。"auto"的意思就是這個"輪盤"自動關閉或者開啟讓某人通過。線程將在調用WaitOne後進行等待或者是阻塞，並且通過調用Set操作來插入線程。如果一堆線程調用了WaitOne操作，那麼"輪盤"就會建立一個等待隊列。一個通行證可以來自任意一個線程，換句話說任意一個線程都可以通過訪問AutoResetEvent對象並調用Set來釋放一個阻塞的線程。

 

如果在Set被調用的時候沒有線程等待，那麼控制代碼就會一直處於開啟狀態直到有線程調用了WaitOne操作。這種行為避免了競爭條件-當一個線程還沒來得急釋放而另一個線程就開始進入的情況。因此重複的調用Set操作一個"輪盤"哪怕是沒有等待線程也不會一次性的讓所有線程進入。

 

WaitOne操作接受一個逾時參數-當發生等待逾時的時候，這個方法會返回一個false。當已有一個線程在等待的時候，WaitOne操作可以指定等待還是退出當前同步上下文。Reset操作提供了關閉"輪盤"的操作。AutoResetEvent能夠通過兩個方法來建立:
1.調用建構函式 EventWaitHandle wh = new AutoResetEvent (false);
如果boolean值為true，那麼控制代碼的Set操作將在建立後自動被調用 ；2. 通過基類EventWaitHandle方式 EventWaitHandle
wh = new EventWaitHandle (false, EventResetMode.Auto);
EventWaitHandle建構函式允許建立一個ManualResetEvent。人們應該通過調用Close來釋放一個Wait
Handle在它不再使用的時候。當在應用程式的生存期內Wait handle繼續被使用，那麼如果遺漏了Close這步，在應用程式關閉的時候也會被自動釋放。

 

class BasicWaitHandle { static EventWaitHandle wh = new AutoResetEvent(false); static void Main() { new Thread(Waiter).Start(); Thread.Sleep(1000); // 等待一會兒 wh.Set(); // 喚醒 } static void Waiter() { Console.WriteLine("Waiting..."); wh.WaitOne(); // 等待喚醒 Console.WriteLine("Notified"); } }

ManualResetEvent

ManualResetEvent是AutoResetEvent的一個特例。它的不同之處在於線上程調用WaitOne後不會自動的重設狀態。它的工作機制有點象是開關：調用Set開啟並允許其他線程進行WaitOne；調用Reset關閉那麼排隊的線程就要等待，直到下一次開啟。可以使用一個帶volatile聲明的boolean欄位來類比間斷休眠
- 通過重複資料偵測標誌，然後休眠一小段時間。

ManualResetEvent常常被用於協助完成一個特殊的操作，或者讓一個線程在開始工作前完成初始化。

 

線程池(Thread Pooling)

 

如果你的應用程式擁有大量的線程並花費大量的時間阻塞在一個Wait
Handle上，那麼你要考慮使用線程池(Thead pooling)來處理。線程池通過合并多個Wait Handle來節約等待的時間。當Wait
Handle被啟用時，使用線程池你需要註冊一個Wait
Handle到一個委託去執行。通過調用ThreadPool.RegisterWaitForSingleObject方法：

 

class Test { static ManualResetEvent starter = new ManualResetEvent(false); public static void Main() { ThreadPool.RegisterWaitForSingleObject(starter, Go, "hello", -1, true); Thread.Sleep(5000); Console.WriteLine("Signaling worker..."); starter.Set(); Console.ReadLine(); } public static void Go(object data, bool timedOut) { Console.WriteLine("Started " + data); // Perform task... } }

 

對於Wait
Handle和委託，RegisterWaitForSingleObject接受一個"黑盒"對象並傳遞給你的委託（就像ParameterizedThreadStart），逾時設定和boolean標誌指示了關閉和迴圈的請求。所有進入池中的線程都被認為是後台線程，這就意味著它們不再由應用程式控制，而是由系統控制直到應用程式退出。

 

注意：如果這時候調用Abort操作，可能會發生意想不到的情況。

 

你也可以通過調用QueueUserWorkItem方法使用線程池，指定委託並立即被執行。這時你不能在多任務情況下儲存共用線程，但是可以得到另外的好處：線程池會保持一個線程的總容量，當作業數超出容量時自動插入任務。

 

 

class Test { static object workerLocker = new object(); static int runningWorkers = 100; public static void Main() { for (int i = 0; i < runningWorkers; i++) { ThreadPool.QueueUserWorkItem(Go, i); } Console.WriteLine("Waiting for threads to complete..."); lock (workerLocker) { while (runningWorkers > 0) Monitor.Wait(workerLocker); } Console.WriteLine("Complete!"); Console.ReadLine(); } public static void Go(object instance) { Console.WriteLine("Started: " + instance); Thread.Sleep(1000); Console.WriteLine("Ended: " + instance); lock (workerLocker) { runningWorkers--; Monitor.Pulse(workerLocker); } } }

為了傳遞多個對象到目標方法，你必須定義一個客戶對象並包含所有屬性或通過調用非同步委託。如Go方法接受兩參數：

ThreadPool.QueueUserWorkItem (delegate (object
notUsed) { Go (23,34); });

其他的方法可以使用非同步委託。