.Net多线程编程—同步机制

1.简介

新的轻量级同步原语:Barrier,CountdownEvent,ManualResetEventSlim,SemaphoreSlim,SpinLock,SpinWait。轻量级同步原语只能用在一个进程内。而相应的那些重量级版本支持跨进程的同步。

2.Barrier

主要成员

1)public Barrier(int participantCount, Action<Barrier> postPhaseAction);构造 函数,participantCount:参与的线程个数(参与者的个数), postPhaseAction每个阶段后执行的操作。

2) public void SignalAndWait();发出信号,表示参与者已达到屏障并等待所有其他参与者也达到屏障。

3) public bool SignalAndWait(int millisecondsTimeout); 如果所有参与者都已在指定时间内达到屏障,则为 true;否则为 false。

4) public int ParticipantCount { get; } 获取屏障中参与者的总数。

5) public long CurrentPhaseNumber { get; internal set; }获取屏障的当前阶段编号。

6)public int ParticipantsRemaining { get; }获取屏障中尚未在当前阶段发出信号的参与者的数量。每当新阶段开始时,这个值等于ParticipantCount ,每当有参与者调用这个属性时,其减一。

注意:

1) 每当屏障(Barrier实例)接收到来自所有参与者的信号之后,屏障就会递增其阶段数,运行构造函数中指定的动作,并且解除阻塞每一个参与者。

2)Barrier使用完要调用Dispose()方法释放资源

3.CountdownEvent

主要成员:

1) public int InitialCount { get; } 获取设置事件时最初的信号数。

1) public CountdownEvent(int initialCount);

2) public bool Signal();向 CountdownEvent 注册信号,同时减小CurrentCount的值。

3) public void Reset(int count);将 System.Threading.CountdownEvent.InitialCount 属性重新设置为指定值。

注意:

一定要确保每个参与工作的线程都调用了Signal,如果有至少一个没有调用,那么任务会永久阻塞。所以一般在finally块中调用Signal是个好习惯。

4.ManualResetEvent与ManualResetEventSlim

ManualResetEvent:可实现跨进程或AppDomain的同步。

主要成员:

1)public bool Reset();将事件状态设置为非终止状态,导致线程阻止,返回值指示操作是否成功。

2)public bool Set();将事件状态设置为终止状态,允许一个或多个等待线程继续,返回值指示操作是否成功。

ManualResetEventSlim:不可应用于跨进程的同步。

主要成员:

1) public bool IsSet { get; }获取是否设置了事件。

2) public void Reset();将事件状态设置为非终止状态,从而导致线程受阻,返回值指示操作是否成功。

3)public bool Set();将事件状态设置为终止状态,允许一个或多个等待线程继续,返回值指示操作是否成功。

4)public void Wait();阻止当前线程,直到设置了当前 ManualResetEventSlim 为止。

5) public void Dispose();释放资源。

6)public ManualResetEventSlim(bool initialState, int spinCount);

5.Semaphore与SemaphoreSlim

Semaphore:可实现跨进程或AppDomain的同步,可使用WaitHandle操作递减信号量的计数。

主要成员:

1)public Semaphore(int initialCount, int maximumCount);

2)public int Release();退出信号量并返回前一个计数。

3)public virtual bool WaitOne(); 阻止当前线程,直到当前 System.Threading.WaitHandle 收到信号。 如果当前实例收到信号,则为 true。 如果当前实例永远收不到信号,则 System.Threading.WaitHandle.WaitOne(System.Int32,System.Boolean)永不返回。

注意:

使用完Semaphore立即调用Dispose()方法释放资源。

SemaphoreSlim:不可实现跨进程或AppDomain的同步,不可使用WaitHandle操作递减信号量的计数。

主要成员:

1)public SemaphoreSlim(int initialCount, int maxCount);

2)public int CurrentCount { get; } 获取将允许进入 System.Threading.SemaphoreSlim 的线程的数量。

3)public int Release();退出 System.Threading.SemaphoreSlim 一次。

4)public void Wait();阻止当前线程,直至它可进入 System.Threading.SemaphoreSlim 为止。

5)public WaitHandle AvailableWaitHandle { get; }返回一个可用于在信号量上等待的 System.Threading.WaitHandle。

注意:

使用完SemaphoreSlim立即调用Dispose()方法释放资源。

6.SpinLock:自旋锁,对SpinWait的包装

主要成员:

1)public void Enter(ref bool lockTaken); 采用可靠的方式获取锁,这样,即使在方法调用中发生异常的情况下,都能采用可靠的方式检查 lockTaken 以确定是否已获取锁。

2)public void Exit(bool useMemoryBarrier);释放锁

说明:

1)不要将SpinLock声明为只读字段。

2)确保每次任务结束后都释放锁。

7.SpinWait:基于自旋的等待

主要成员:

1)public static void SpinUntil(Func<bool> condition);在指定条件得到满足之前自旋。

2)public static bool SpinUntil(Func<bool> condition, int millisecondsTimeout);在指定条件得到满足或指定超时过期之前自旋。

说明:

1)适用情形:等待某个条件满足需要的时间很短,并且不希望发生昂贵的上下文切换。

2)内存开销非常小。其是一个结构体,不会产生不必要的内存开销。

3)如果自旋时间过长,SpinWait会让出底层线程的时间片并触发上下文切换。

8.Look:互斥锁

说明:

1)通过使用lock关键字可以获得一个对象的互斥锁。

2)使用lock,这会调用System.Threading.Monitor.Enter(object obj, ref bool lockTaken)和System.Threading.Monitor.Exit(object obj)方法。

3)不要对值类型使用Lock

4)避免锁定类的外部对象,避免跨成员或类的边界获得和释放一个锁,避免获得锁的时候调用未知代码。

9.Monitor

主要成员:

1)public static void Enter(object obj, ref bool lockTaken);获取指定对象上的排他锁,并自动设置一个值,指示是否获取了该锁。

2)public static void Exit(object obj);释放指定对象上的排他锁。

3)public static void TryEnter(object obj, int millisecondsTimeout, ref bool lockTaken);在指定的毫秒数中,尝试获取指定对象上的排他锁,并自动设置一个值,指示是否得到了该锁。

说明:

1)不要对值类型使用Monitor。

2)避免锁定类的外部对象,避免跨成员或类的边界获得和释放一个锁,避免获得锁的时候调用未知代码。

10.volatile修饰符

作用:

当共享变量被不同的线程访问和更新且没有锁和原子操作的时候,最新的值总能在共享变量中表现出来。

注意:

1)可以将这个修饰符用于类和struct的字段,但不能声明使用volatile关键字的局部变量。

2)Volatile可修饰的类型为:整型,bool,带有整型的枚举,引用类型,推到为引用类型的泛型类型,不安全上下文中的指针类型以及表示指针或者句柄的平台相关类型。

11.Interlocked:为多任务或线程共享的变量提供原子操作

主要成员:

1)public static int Increment(ref int location);以原子操作的形式递增指定变量的值并存储结果。

2)public static int Add(ref int location1, int value);对两个 32 位整数进行求和并用和替换第一个整数,上述操作作为一个原子操作完成。

3)public static float CompareExchange(ref float location1, float value, float comparand); 比较两个单精度浮点数是否相等,如果相等,则替换其中一个值。

4)public static int Decrement(ref int location);以原子操作的形式递减指定变量的值并存储结果。

注意:

最大的好处:开销低,效率高。

12 使用模式

1)Barrier

 1 public static void BarrierTest1()
 2 {
 3             //构造函数的参数participantCount表示参与者的数量。
 4             //注意:父线程也是一个参与者,所以两个任务,但是Barrier的participantCount为3
 5             //注意:无法保证任务1和任务2完成的先后顺序。
 6             //Barrier(int participantCount, Action<Barrier> postPhaseAction);也可使 用此方法
 7             //当所有参与者都已到达屏障后,执行要处理的任务,即对两个任务产生的数据统一处理的过程可放在此处执行。
 8             using (Barrier bar = new Barrier(3))
 9             {
10                 Task.Factory.StartNew(() =>
11                 {
12 
13                     //具体业务
14 
15                     //当业务完成时,执行下面这行代码;发出信号,表明任务已完成,并等待其他参与者
16                     bar.SignalAndWait();
17 
18                 });
19 
20                 Task.Factory.StartNew(() =>
21                 {
22 
23                     //具体业务
24 
25                     //当业务完成时,执行下面这行代码;发出信号,表明任务已完成,并等待其他参与者
26                     bar.SignalAndWait();
27 
28                 });
29 
30                 //保证上面两个任务都能完成才执行bar.SignalAndWait();这一句之后的代码
31                 bar.SignalAndWait();
32                 //当上述两个任务完成后,对两个任务产生的数据进行统一处理。
33 
34             }
35 
36         }
37 
38         public static void BarrierTest2()
39         {
40             //构造函数的参数participantCount表示参与者的数量。
41             using (Barrier bar = new Barrier(3))
42             {
43                 Task.Factory.StartNew(() =>
44                 {
45 
46                     //具体业务
47 
48                     //当业务完成时,执行下面这行代码;移除一个参与者
49                     //注意:bar.SignalAndWait();与bar.RemoveParticipant();可以混用
50                     bar.RemoveParticipant();
51 
52                 });
53 
54                 Task.Factory.StartNew(() =>
55                 {
56 
57                     //具体业务
58 
59                     //当业务完成时,执行下面这行代码;移除一个参与者
60                     bar.RemoveParticipant();
61 
62                 });
63 
64                 bar.SignalAndWait();
65                 //当上述两个任务完成后,对两个任务产生的数据进行统一处理。
66             }
67 }

2)CountdownEvent

 1 public static void CountdownEventTest()
 2 {
 3             //注意初始化信号数等于并行的任务数
 4             int initialCount = N;
 5             using (CountdownEvent cd = new CountdownEvent(initialCount))
 6             {
 7                 //多个并行任务,完成一个减少一个信号
 8                 for (int i = 0; i < N; i++)
 9                 {
10                     Task.Factory.StartNew(() => 
11                     {
12                         try
13                         {
14                             //真正的业务
15                         }
16                         finally
17                         {
18                             //确保不论何种情况都能减少信号量,防止死循环
19                             cd.Signal();
20                         }
21                     });
22                 }
23 
24                 //等待上述多个任务执行完毕
25                 cd.Wait();
26             }
27 }

3)ManualResetEvent与ManualResetEventSlim

 1 public static void ManualResetEventTest()
 2 {
 3             ManualResetEvent mre = new ManualResetEvent(false);
 4             ManualResetEvent mre1 = new ManualResetEvent(false);
 5 
 6             try
 7             {
 8                 Task.Factory.StartNew(() =>
 9                 {
10                     //业务
11                     mre.Set();
12                 });
13 
14                 Task.Factory.StartNew(() =>
15                 {
16                     mre.WaitOne();
17 
18                     //使用任务1的数据
19                     
20                     mre1.Set();
21 
22                 });
23 
24                 //等待任务全部执行完
25                 mre1.WaitOne();
26             }
27             finally
28             {
29                 mre.Dispose();
30                 mre1.Dispose();
31             }
32         }
33         //注意:本示例并不是一个最佳实践,目的在于演示ManualResetEventSlim
34         //当没有更好的协调机制时,可考虑使用本示例
35         public static void ManualResetEventSlimTest1()
36         {
37             ManualResetEventSlim mreslim = new ManualResetEventSlim();
38             ManualResetEventSlim mreslim1 = new ManualResetEventSlim();
39             try
40             {
41                 Task.Factory.StartNew(() =>
42                 {
43                     mreslim.Set();
44 
45                     //业务
46 
47                     mreslim.Reset();
48 
49                 });
50 
51                 Task.Factory.StartNew(() =>
52                 {
53                     //当mreslim.Set()被调用时,mreslim.Wait()立即返回,即解除阻塞。
54                     mreslim.Wait();
55                     //直到mreslim.Reset()被调用,循环才会结束
56                     while (mreslim.IsSet)
57                     {
58                         //业务
59                     }
60                     mreslim1.Set();
61                 });
62 
63                 //等待第二个任务完成
64                 mreslim1.Wait();
65             }
66             finally
67             {
68                 mreslim.Dispose();
69                 mreslim1.Dispose();
70             }
71 }

4)Semaphore与SemaphoreSlim

 1 public static void SemaphoreSlimTest()
 2 {
 3             int initialCount = 10;//可以是其他值
 4             List<string> list = new List<string>();
 5             var tasks = new Task[initialCount];
 6        //如果使用Semaphore,实例化的时候,那么最少要传递两个参数,信号量的初始请求数和信号量的最大请求数
 7             using(SemaphoreSlim ssl = new SemaphoreSlim(initialCount))
 8             {
 9                 for (int i = 0; i < initialCount; i++)
10                 {
11                     int j = i;
12                     tasks[j] = Task.Factory.StartNew(() =>
13                     {
14                         try
15                         {
16                             //等待,直到进入SemaphoreSlim为止
17                  //如果使用Semaphore,应调用WaitOne
18                             ssl.Wait();
19                             //直到进入SemaphoreSlim才会执行下面的代码
20                             list.Add(""+j);//可将这部分替换成真实的业务代码
21                         }
22                         finally
23                         {
24                             ssl.Release();
25                         }
26                     });
27                 }
28                 //注意一定要在using块的最后阻塞线程,直到所有的线程均处理完任务
29                 //如果没有等待任务全部完成的语句,会导致SemaphoreSlim资源被提前释放。
30                 Task.WaitAll(tasks);
31             }          
32 }

5)SpinLock

 1 public static void SpinLockTest()
 2 {
 3             bool lockTaken = false;
 4             SpinLock sl = new SpinLock(true);
 5             try
 6             {
 7                 //获得锁
 8                 //如果不能获得锁,将会等待并不断检测锁是否可用
 9                 //获得锁后,lockTaken为true,此行代码之后的部分才会开始运行
10                 sl.Enter(ref lockTaken);
11 
12                 //或使用含有超时机制的TryEnter方法
13                 //sl.TryEnter(1000,ref lockTaken);
14                 //然后抛出超时异常
15                 //if (!lockTaken)
16                 //{
17                 //    throw new TimeoutException("超时异常");
18                 //}
19 
20                 //真正的业务。。。
21                 
22             }
23             finally
24             {
25                 if (lockTaken)
26                 {
27                     //释放锁
28                     //SpinLock没有使用内存屏障,因此设成false
29                     sl.Exit(false);
30                 }
31             }                        
32 }

6)SpinWait

 1 public static void SpinWaitTest()
 2 {
 3             bool isTrue = false;
 4             //任务一,处理业务,成功将isTrue设置为true
 5             Task.Factory.StartNew(() => 
 6             {
 7                 //处理业务,返回结果result指示是否成功
 8                 bool result = ...;
 9                 if (result)
10                 {
11                     isTrue = true;
12                 }
13             });
14 
15             //可设定等待时间,如果超时,则向下执行
16             Task.Factory.StartNew(() => {
17                 SpinWait.SpinUntil(()=>isTrue,10000);
18                 //真正的业务
19             });
20 }

7) Look

 1 下面两段代码是等价的。
 2 lock (Object)
 3 {
 4        //do something
 5 }
 6 
 7 //等价代码
 8 bool lockTaken = false;
 9 try
10 {
11     Monitor.Enter(object,lockTaken);
12      //do something
13 }
14 finally
15 {
16      if(lockTaken)
17      {
18             Monitor.Exit(object);
19        }
20 }

8)Interlocked

 1 public static void InterlockedTest()
 2 {
 3             Task[] tasks = new Task[10];
 4             long j = 0;
 5             for(int i=0;i<10;i++)
 6             {
 7                 int t = i;
 8                 tasks[t] = Task.Factory.StartNew(()=>
 9                 {
10                 //以安全的方式递增j
11                     Interlocked.Increment(ref j);
12                 });
13             }
14             Task.WaitAll(tasks);           
15 }

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