多線程（線程同步1）

　　在多線程（線程同步）中，我們將學習多線程中操作共用資源的技術，學習到的知識點如下所示：

• 執行基本的原子操作
• 使用Mutex構造
• 使用SemaphoreSlim構造
• 使用AutoResetEvent構造
• 使用ManualResetEventSlim構造
• 使用CountDownEvent構造
• 使用Barrier構造
• 使用ReaderWriterLockSlim構造
• 使用SpinWait構造

 一、執行基本的原子操作

　　在這一小節中，我們將學習如何在沒有阻塞線程（blocking threads）發生的情況下，在一個對象上執行基本的原子操作並能阻止競爭條件（race condition）的發生。操作步驟如下所示：

1、使用Visual Studio 2015創建一個新的控制台應用程式。

2、雙擊打開“Program.cs”文件，編寫代碼如下所示：

 1 using System;
 2 using System.Threading;
 3 using static System.Console;
 4 
 5 namespace Recipe01
 6 {
 7     abstract class CounterBase
 8     {
 9         public abstract void Increment();
10 
11         public abstract void Decrement();
12     }
13 
14     class Counter : CounterBase
15     {
16         private int count;
17 
18         public int Count => count;
19 
20         public override void Increment()
21         {
22             count++;
23         }
24 
25         public override void Decrement()
26         {
27             count--;
28         }
29     }
30 
31     class CounterNoLock : CounterBase
32     {
33         private int count;
34 
35         public int Count => count;
36 
37         public override void Increment()
38         {
39             Interlocked.Increment(ref count);
40         }
41 
42         public override void Decrement()
43         {
44             Interlocked.Decrement(ref count);
45         }
46     }
47 
48     class Program
49     {
50         static void TestCounter(CounterBase c)
51         {
52             for (int i = 0; i < 100000; i++)
53             {
54                 c.Increment();
55                 c.Decrement();
56             }
57         }
58 
59         static void Main(string[] args)
60         {
61             WriteLine("Incorrect counter");
62 
63             var c1 = new Counter();
64 
65             var t1 = new Thread(() => TestCounter(c1));
66             var t2 = new Thread(() => TestCounter(c1));
67             var t3 = new Thread(() => TestCounter(c1));
68             t1.Start();
69             t2.Start();
70             t3.Start();
71             t1.Join();
72             t2.Join();
73             t3.Join();
74 
75             WriteLine($"Total count: {c1.Count}");
76             WriteLine("--------------------------");
77 
78             WriteLine("Correct counter");
79 
80             var c2 = new CounterNoLock();
81 
82             t1 = new Thread(() => TestCounter(c2));
83             t2 = new Thread(() => TestCounter(c2));
84             t3 = new Thread(() => TestCounter(c2));
85             t1.Start();
86             t2.Start();
87             t3.Start();
88             t1.Join();
89             t2.Join();
90             t3.Join();
91 
92             WriteLine($"Total count: {c2.Count}");
93         }
94     }
95 }

3、運行該控制台應用程式，運行效果（每次運行效果可能不同）如下圖所示：

　　在第63行代碼處，我們創建了一個非線程安全的Counter類的一個對象c1，由於它是非線程安全的，因此會發生競爭條件（race condition）。

　　在第65~67行代碼處，我們創建了三個線程來運行c1對象的“TestCounter”方法，在該方法中，我們按順序對c1對象的count變數執行自增和自減操作。由於c1不是線程安全的，因此在這種情況下，我們得到的counter值是不確定的，我們可以得到0值，但多運行幾次，多數情況下會得到不是0值得錯誤結果。

　　在多線程（基礎篇）中，我們使用lock關鍵字鎖定對象來解決這個問題，但是使用lock關鍵字會造成其他線程的阻塞。但是，在本示例中我們沒有使用lock關鍵字，而是使用了Interlocked構造，它對於基本的數學操作提供了自增（Increment）、自減（Decrement）以及其他一些方法。

二、使用Mutex構造

 　　在這一小節中，我們將學習如何使用Mutex構造同步兩個單獨的程式，即進程間的同步。具體步驟如下所示：

1、使用Visual Studio 2015創建一個新的控制台應用程式。

2、雙擊打開“Program.cs”文件，編寫代碼如下所示：

 1 using System;
 2 using System.Threading;
 3 using static System.Console;
 4 
 5 namespace Recipe02
 6 {
 7     class Program
 8     {
 9         static void Main(string[] args)
10         {
11             const string MutexName = "Multithreading";
12 
13             using (var m = new Mutex(false, MutexName))
14             {
15                 // WaitOne方法的作用是阻止當前線程，直到收到其他實例釋放的處理信號。
16                 // 第一個參數是等待超時時間，第二個是否退出上下文同步域。
17                 if (!m.WaitOne(TimeSpan.FromSeconds(10), false))
18                 {
19                     WriteLine("Second instance is running!");
20                     ReadLine();
21                 }
22                 else
23                 {
24                     WriteLine("Running!");
25                     ReadLine();
26                     // 釋放互斥資源
27                     m.ReleaseMutex();
28                 }
29             }
30 
31             ReadLine();
32         }
33     }
34 }

3、編譯代碼，執行兩次該程式，運行效果如下所示：

第一種情況的運行結果：

第二種情況的運行結果：

　　在第11行代碼處，我們定義了一個mutex（互斥量）的名稱為“Multithreading”，併在第13行代碼處將其傳遞給了Mutex類的構造方法，該構造方法的第一個參數initialOwner我們賦值為false，這允許程式獲得一個已經被創建的mutex。如果沒有任何線程鎖定互斥資源，程式只簡單地顯示“Running”，然後等待按下任何鍵以釋放互斥資源。

　　如果我們啟動該程式的第二個實例，如果在10秒內我們沒有在第一個實例下按下任何按鈕以釋放互斥資源，那麼在第二個實例中就會顯示“Second instance is running!”，如第一種情況的運行結果所示。如果在10內我們在第一個實例中按下任何鍵以釋放互斥資源，那麼在第二個實例中就會顯示“Running”，如第二種情況的運行結果所示。

三、使用SemaphoreSlim構造

　　在這一小節中，我們將學習如何在SemaphoreSlim構造的幫助下，限制同時訪問資源的線程數量。具體步驟如下所示：

1、使用Visual Studio 2015創建一個新的控制台應用程式。

2、雙擊打開“Program.cs”文件，編寫代碼如下所示：

 1 using System;
 2 using System.Threading;
 3 using static System.Console;
 4 using static System.Threading.Thread;
 5 
 6 namespace Recipe03
 7 {
 8     class Program
 9     {
10         static SemaphoreSlim semaphore = new SemaphoreSlim(4);
11 
12         static void AccessDatabase(string name, int seconds)
13         {
14             WriteLine($"{name} waits to access a database");
15             semaphore.Wait();
16             WriteLine($"{name} was granted an access to a database");
17             Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
18             WriteLine($"{name} is completed");
19             semaphore.Release();
20         }
21 
22         static void Main(string[] args)
23         {
24             for(int i = 1; i <= 6; i++)
25             {
26                 string threadName = "Thread" + i;
27                 int secondsToWait = 2 + 2 * i;
28                 var t = new Thread(() => AccessDatabase(threadName, secondsToWait));
29                 t.Start();
30             }
31         }
32     }
33 }

3、運行該控制台應用程式，運行效果（每次運行效果可能不同）如下圖所示：

　　在第10行代碼處，我們創建了一個SemaphoreSlim的實例，並對該構造方法傳遞了參數4，該參數指定了可以有多少個線程同時訪問資源。然後，我們啟動了6個不同名字的線程。每個線程都試著獲取對資料庫的訪問，但是，我們限制了最多只有4個線程可以訪問資料庫，因此，當4個線程訪問資料庫後，其他2個線程必須等待，直到其他線程完成其工作後，調用“Release”方法釋放資源之後才能訪問資料庫。