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.Net线程同步技术解读

C#开发者(面试者)都会遇到lock(Monitor),Mutex,Semaphore,SemaphoreSlim这四个与锁相关的C#类型,本文期望以最简洁明了的方式阐述四种对象的区别。

什么是线程安全

教条式理解

如果代码在多线程环境中运行的结果与单线程运行结果一样,其他变量值也和预期是一样的,那么线程就是安全的;

结合场景理解

两个线程都为集合增加元素,我们错误的理解即使是多线程也总有先后顺序吧,集合的两个位置先后塞进去就完了;实际上集合增加元素这个行为看起来简单,实际并不一定是原子操作。

在添加一个元素的时候,它可能会有两步来完成:

  1. 在 Items[Size] 的位置存放此元素;
  2. 增大 Size 的值。
  • 在单线程运行的情况下,如果 Size = 0,添加一个元素后,此元素在位置0,之后设置Size=1;
  • 如果是在多线程场景下,有两个线程,线程A先将元素存放在位置0,但是此时CPU调度线程A暂停,线程B得到运行机会;线程B也向此ArrayList添加元素,因为此时Size仍然等于0 (注意哦,我们假设添加元素是经过两个步骤,而线程A仅仅完成了步骤1),所以线程B也将元素存放在位置0。然后线程A和线程B都继续运行,都增加 Size 的值。那好,我们来看看ArrayList的情况,元素实际上只有一个,存放在位置 0,而Size却等于2,形成了脏数据,这种就定义为对ArrayList的新增元素操作是线程不安全的。

线程安全这个问题不单单存在于集合类,我们始终要记得: Never ever modify a shared resource by multipie threads unless resource is thread-safe.

我们对SqlServer,Mongodb,对HttpContext的访问都会涉及thread-safe。

- 利用C# mongodb driver操作Mongo打包时常用操作是线程安全的,Only a few of the C# Driver classes are thread safe. Among them: MongoServer, MongoDatabase, MongoCollection and MongoGridFS.

- 对于HttpContext 静态属性的操作是线程安全的:Any public static members of this type (HttpContext) are thread safe, any instance members are not guaranteed to be thread safe.

各语言推出了适用于不同范围的线程同步技术来预防以上脏数据(实现线程安全)

线程同步技术

话不多说,给出大图:

四象限对象的区别:

  • 支持线程进入的个数
  • 是否跨进程支持

上半区 lock(Monitor), Mutex(中文称为互斥锁)都只支持单线程进入被保护代码,其他线程则必须等待进入的线程完成 {Critical Section}

下半区SemaphoreSlim、Semaphore(中文称为信号量)支持并发多线程进入被保护代码,对象在初始化时会指定 最大信号灯数量,当线程请求访问资源,信号量递减,而当他们释放时,信号量计数又递增。

左半区lock (Monitor)、SemaphoreSlim 是CRL对象, 进程内线程同步; 右半区Mutex,Semaphore都继承自WaitHandle对象,支持命名,是内核对象,在系统级别能支持进程间线程同步。

进程间线程同步不多见(分布式锁的场景越来越多,这里按下不表),啰嗦一下常见的进程内线程同步技术:

① lock(Monitor)

开发者最常用的lock关键字,使用方式相当简单,对于单进程内线程同步相当有效,实际上lock是Monitor的语法糖,实际的编译代码如下:

object __lockObj = x;
bool __lockWasTaken = false;
try
{
     System.Threading.Monitor.Enter(__lockObj, ref __lockWasTaken);
     // Your code...
}
finally
{
    if (__lockWasTaken) System.Threading.Monitor.Exit(__lockObj);
}

一般使用私有静态对象作为lock(Monitor)线程同步的同步对象,那配合lock完成代码锁定的那个对象到底起什么作用呢?

这里面有个SyncBlockIndex的概念,新建的托管堆在内存表现如下:

每个堆对象:函数表指针(这也是一个重要知识点,用于在多态中判断对象到底是哪个类型)、同步块索引、对象字段;其中同步块索引是lock解决线程同步的关键,SyncBlockIndex是一个地址指针(传送门);

新创建的对象objLock,其SyncBlockindex =-1,不指向任何有效同步块;

调用静态类Monitor.Enter(objLock), CRL会寻找一个空闲SyncBlock并将objLock对象的SyncBlockIndex指向该块, 例如上图中ObjectA,ObjectC的SyncBlockIndex指向了2个SyncBlock;

Exit(objLock)会将objLock对象的SyncBlockIndex重新赋为 -1, 释放出来的SyncBlock可以在将来被其他对象SyncBlockIndex引用。

② lock(Monitor) vs SemaphoreSlim

两者都是进程内线程同步技术,SemaphoreSlim信号量支持多线程进入;另外SemaphoreSlim 有异步等待方法,支持在异步代码中线程同步,解决在async code中无法使用lock语法糖的问题

// 实例化单信号量
static SemaphoreSlim semaphoreSlim = new SemaphoreSlim(1,1);

// 异步等待进入信号量,如果没有线程被授予对信号量的访问权限,则进入执行保护代码;否则此线程将在此处等待,直到信号量被释放为止
await semaphoreSlim.WaitAsync();
try
{
    await Task.Delay(1000);
}
finally
{
    // 任务准备就绪后,释放信号灯。【准备就绪时始终释放信号量】至关重要,否则我们将获得永远被锁定的信号量
    semaphoreSlim.Release();
}

总结

从宏观上掌握Monitor,Mutex,SemaphoreSlim,Semaphore的区别有利于形成【线程同步知识体系】;文章着重记录进程内线程同步技术。

本文分享自微信公众号 - magiccodes(xl----0)

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原始发表时间:2019-11-27

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