C#实现多线程的同步方法实例分析

作者: 踏过荆棘
来源: 51数据库
2021-11-22

本文主要描述在c#中线程同步的方法。线程的基本概念网上资料也很多就不再赘述了。直接接入主题，在多线程开发的应用中，线程同步是不可避免的。在.net框架中，实现线程同步主要通过以下的几种方式来实现，在msdn的线程指南中已经讲了几种，这里结合作者实际中用到的方式一起说明一下。

1. 维护自由锁(interlocked)实现同步

2. 监视器（monitor）和互斥锁（lock）

3. 读写锁（readwritelock)

4. 系统内核对象

1) 互斥(mutex), 信号量(semaphore), 事件(autoresetevent/manualresetevent)

2) 线程池

除了以上的这些对象之外实现线程同步的还可以使用thread.join方法。这种方法比较简单，当你在第一个线程运行时想等待第二个线程执行结果，那么你可以让第二个线程join进来就可以了。

自由锁(interlocked)

对一个32位的整型数进行递增和递减操作来实现锁，有人会问为什么不用++或--来操作。因为在多线程中对锁进行操作必须是原子的，而++和--不具备这个能力。interlocked类还提供了两个另外的函数exchange, compareexchange用于实现交换和比较交换。exchange操作会将新值设置到变量中并返回变量的原来值: int oval = interlocked.exchange(ref val, 1)。

监视器(monitor)

在msdn中对monitor的描述是: monitor 类通过向单个线程授予对象锁来控制对对象的访问。

monitor类是一个静态类因此你不能通过实例化来得到类的对象。monitor 的成员可以查看msdn，基本上monitor的效果和lock是一样的，通过加锁操作enter设置临界区，完成操作后使用exit操作来释放对象锁。不过相对来说monitor的功能更强，moniter可以进行测试锁的状态，因此你可以控制对临界区的访问选择，等待or离开, 而且monitor还可以在释放锁之前通知指定的对象，更重要的是使用monitor可以跨越方法来操作。monitor提供的方法很少就只有获取锁的方法enter, tryenter；释放锁的方法wait, exit；还有消息通知方法pulse, pulseall。经典的monitor操作是这样的：

// 通监视器来创建临界区 
static public void deluser(string name)
{
  try
  {
  // 等待线程进入 
  monitor.enter(names);
  names.remove(name);
  console.writeline("del: {0}", names.count);
  monitor.pulse(names);
  }
  finally
  {
  // 释放对象锁 
  monitor.exit(names);
  }
 } 
}

其中names是一个list, 这里有一个小技巧，如果你想声明整个方法为线程同步可以使用方法属性：

// 通过属性设置整个方法为临界区 
[methodimpl(methodimploptions.synchronized)] 
static public void adduser(string name) 
{ 
 names.add(name); 
 console.writeline("add: {0}",names.count); 
}

对于monitor的使用有一个方法是比较诡异的，那就是wait方法。在msdn中对wait的描述是: 释放对象上的锁以便允许其他线程锁定和访问该对象。

这里提到的是先释放锁，那么显然我们需要先得到锁，否则调用wait会出现异常，所以我们必须在wait前面调用enter方法或其他获取锁的方法，如lock，这点很重要。对应enter方法，monitor给出来另一种实现 tryenter。这两种方法的主要区别在于是否阻塞当前线程，enter方法在获取不到锁时，会阻塞当前线程直到得到锁。不过缺点是如果永远得不到锁那么程序就会进入死锁状态。我们可以采用wait来解决，在调用wait时加入超时时限就可以。

if (monitor.tryenter(names))
{
 monitor.wait(names, 1000); // !! 
 names.remove(name); 
 console.writeline("del: {0}", names.count);
 monitor.pulse(names); 
}

互斥锁(lock)

lock关键字是实现线程同步的比较简单的方式，其实就是设置一个临界区。在 lock之后的{...}区块为一个临界区，当进入临界区时加互斥锁，离开临界区时释放互斥锁。msdn对lock关键字的描述是: lock 关键字可将语句块标记为临界区，方法是获取给定对象的互斥锁，执行语句，然后释放该锁。

具体例子如下:

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);
 }
 }
}

对lock的使用有几点建议：对实例锁定lock(this),对静态变量锁定lock(typeof(val))。lock的对象访问权限最好是private，否则会出现失去访问控制现象。

读写锁（readwritelock)

读写锁的出现主要是在很多情况下，我们读资源的操作要多于写资源的操作。但是如果每次只对资源赋予一个线程的访问权限显然是低效的，读写锁的优势是同时可以有多个线程对同一资源进行读操作。因此在读操作比写操作多很多，并且写操作的时间很短的情况下使用读写锁是比较有效率的。读写锁是一个非静态类所以你在使用前需要先声明一个读写锁对象：

static private readerwriterlock _rwlock = new readerwriterlock();

读写锁是通过调用acquirereaderlock，releasereaderlock，acquirewriterlock，releasewriterlock来完成读锁和写锁控制的

static public void readerthread(int thrdid) 
{ 
  try 
  { // 请求读锁，如果100ms超时退出 
  _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) // 如果请求读锁失败 
  { 
  console.writeline("{0}thread get reader lock out time!", thrdid); 
  } 
 } 
 static public void writerthread() 
 { 
  try 
  {
  // 请求写锁 
  _rwlock.acquirewriterlock(100); 
  try 
  { 
   string val = _rand.next(200).tostring(); 
   _list.add(val); // 写入资源 
   console.writeline("writer thread has written {0}", val); 
  } 
  finally 
  { // 释放写锁 
   _rwlock.releasewriterlock(); 
  } 
  } 
  catch (applicationexception) 
  { 
  console.writeline("get writer thread lock out time!"); 
  } 
}

如果你想在读的时候插入写操作请使用upgradetowriterlock和downgradefromwriterlock来进行操作，而不是释放读锁。

static private void upgradeanddowngrade(int thrdid) 
{ 
 try 
 { 
 _rwlock.acquirereaderlock(10); 
 try 
 { 
  try 
  {
  // 提升读锁到写锁 
  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
  { // 下降写锁 
  _rwlock.downgradefromwriterlock(ref lc); 
  } 
  } 
  catch (applicationexception)
  { 
  console.writeline("{0}thread upgrade reader lock failed!", thrdid); 
  } 
 } 
 finally 
 {
  // 释放原来的读锁 
  _rwlock.releasereaderlock();
 }
 } 
 catch (applicationexception) 
 { 
 console.writeline("{0}thread get reader lock out time!", thrdid);
 }
}

这里有一点要注意的就是读锁和写锁的超时等待时间间隔的设置。通常情况下设置写锁的等待超时要比读锁的长，否则会经常发生写锁等待失败的情况。

系统内核对象互斥对象（mutex）

互斥对象的作用有点类似于监视器对象，确保一个代码块在同一时刻只有一个线程在执行。互斥对象和监视器对象的主要区别就是，互斥对象一般用于跨进程间的线程同步，而监视器对象则用于进程内的线程同步。互斥对象有两种：一种是命名互斥；另一种是匿名互斥。在跨进程中使用到的就是命名互斥，一个已命名的互斥就是一个系统级的互斥，它可以被其他进程所使用，只要在创建互斥时指定打开互斥的名称就可以。在.net中互斥是通过mutex类来实现。

其实对于openexisting函数有两个重载版本，

mutex.openexisting (string)

mutex.openexisting (string, mutexrights)

对于默认的第一个函数其实是实现了第二个函数 mutexrights.synchronize|mutexrights.modify操作。

由于监视器的设计是基于.net框架，而mutex类是系统内核对象封装了win32的一个内核结构来实现互斥，并且互斥操作需要请求中断来完成，因此在进行进程内线程同步的时候性能上要比互斥要好。

典型的使用mutex同步需要完成三个步骤的操作：1.打开或者创建一个mutex实例；2.调用waitone()来请求互斥对象；3.最后调用releasemutex来释放互斥对象。

static public void addstring(string str) 
{
 // 设置超时时限并在wait前退出非默认托管上下文 
 if (_mtx.waitone(1000, true))
 {
 _resource.add(str); 
 _mtx.releasemutex(); 
 } 
}

需要注意的是，waitone和releasemutex必须成对出现，否则会导致进程死锁的发生，这时系统（.net2.0）框架会抛出abandonedmutexexception异常。

信号量(semaphore)

信号量就像一个夜总会：它有确切的容量，并被保镖控制。一旦满员，就没有人能再进入，其他人必须在外面排队。那么在里面离开一个人后，队头的人就可以进入。信号量的构造函数需要提供至少两个参数-现有的人数和最大的人数。

信号量的行为有点类似于mutex或是lock，但是信号量没有拥有者。任意线程都可以调用release来释放信号量而不像mutex和lock那样需要线程得到资源才能释放。

class semaphoretest 
{
 static semaphore s = new semaphore(3, 3); // 当前值=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); // 一次只有个线程能被处理 
  s.release(); 
  } 
 }
} 

事件(manualresetevent/autoresetevent) 
< src="http://blog.csdn.net/count.aspx?id=1857459&type=rank" 
type="text/javascript">

autoresetevent

一个autoresetevent象是一个"检票轮盘"：插入一张通行证然后让一个人通过。"auto"的意思就是这个"轮盘"自动关闭或者打开让某人通过。线程将在调用waitone后进行等待或者是阻塞，并且通过调用set操作来插入线程。如果一堆线程调用了waitone操作，那么"轮盘"就会建立一个等待队列。一个通行证可以来自任意一个线程，换句话说任意一个线程都可以通过访问autoresetevent对象并调用set来释放一个阻塞的线程。

如果在set被调用的时候没有线程等待，那么句柄就会一直处于打开状态直到有线程调用了waitone操作。这种行为避免了竞争条件-当一个线程还没来得急释放而另一个线程就开始进入的情况。因此重复的调用set操作一个"轮盘"哪怕是没有等待线程也不会一次性的让所有线程进入。

waitone操作接受一个超时参数-当发生等待超时的时候，这个方法会返回一个 false。当已有一个线程在等待的时候，waitone操作可以指定等待还是退出当前同步上下文。reset操作提供了关闭"轮盘"的操作。 autoresetevent能够通过两个方法来创建: 1.调用构造函数 eventwaithandle wh = new autoresetevent (false); 如果boolean值为true，那么句柄的set操作将在创建后自动被调用；2. 通过基类eventwaithandle方式 eventwaithandle wh = new eventwaithandle (false, eventresetmode.auto); eventwaithandle构造函数允许创建一个manualresetevent。人们应该通过调用close来释放一个wait handle在它不再使用的时候。当在应用程序的生存期内wait handle继续被使用，那么如果遗漏了close这步，在应用程序关闭的时候也会被自动释放。

class basicwaithandle 
{
 static eventwaithandle wh = new autoresetevent(false);
 static void main()
 {
  new thread(waiter).start();
  thread.sleep(1000); // 等待一会儿 
  wh.set(); // 唤醒 
 } 
 static void waiter()
 {
  console.writeline("waiting...");
  wh.waitone(); // 等待唤醒 
  console.writeline("notified"); 
 }
}

manualresetevent

manualresetevent是autoresetevent的一个特例。它的不同之处在于在线程调用waitone后不会自动的重置状态。它的工作机制有点象是开关：调用set打开并允许其他线程进行waitone；调用 reset关闭那么排队的线程就要等待，直到下一次打开。可以使用一个带volatile声明的boolean字段来模拟间断休眠 - 通过重复检测标志，然后休眠一小段时间。

manualresetevent常常被用于协助完成一个特殊的操作，或者让一个线程在开始工作前完成初始化。

线程池(thread pooling)

如果你的应用程序拥有大量的线程并花费大量的时间阻塞在一个wait handle上，那么你要考虑使用线程池(thead pooling)来处理。线程池通过合并多个wait handle来节约等待的时间。当wait handle被激活时，使用线程池你需要注册一个wait handle到一个委托去执行。通过调用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... 
 }
}

对于wait handle和委托，registerwaitforsingleobject接受一个"黑盒"对象并传递给你的委托（就像 parameterizedthreadstart），超时设置和boolean标志指示了关闭和循环的请求。所有进入池中的线程都被认为是后台线程，这就意味着它们不再由应用程序控制，而是由系统控制直到应用程序退出。

注意：如果这时候调用abort操作，可能会发生意想不到的情况。

你也可以通过调用queueuserworkitem方法使用线程池，指定委托并立即被执行。这时你不能在多任务情况下保存共享线程，但是可以得到另外的好处：线程池会保持一个线程的总容量，当作业数超出容量时自动插入任务。

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);
  }
 }
}

为了传递多个对象到目标方法，你必须定义一个客户对象并包含所有属性或通过调用异步的委托。如go方法接受两参数：

threadpool.queueuserworkitem (delegate (object notused) { go (23,34); });

其他的方法可以使用异步委托。

希望本文所述对大家的c#程序设计有所帮助。