C#多線程之線程同步3_ZenDei技術網路在線

在上一篇C#多線程之線程同步2中，我們主要學習了AutoResetEvent構造、ManualResetEventSlim構造和CountdownEvent構造，在這一篇中，我們將學習Barrier構造、ReaderWriterLockSlim構造和SpinWait構造。七、使用Barrier構造 ...

　　在上一篇C#多線程之線程同步2中，我們主要學習了AutoResetEvent構造、ManualResetEventSlim構造和CountdownEvent構造，在這一篇中，我們將學習Barrier構造、ReaderWriterLockSlim構造和SpinWait構造。

七、使用Barrier構造

　　在這一小節中，我們將學習一個比較有意思的同步構造：Barrier。Barrier構造可以幫助我們控制多個等待線程達到指定數量後，才發送通知信號，然後所有等待線程才能繼續執行，並且在每次等待線程達到指定數量後，還能執行一個回調方法。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 Recipe07
 7 {
 8     class Program
 9     {
10         static Barrier barrier = new Barrier(2, b => WriteLine($"End of phase {b.CurrentPhaseNumber + 1}"));
11 
12         static void PlayMusic(string name, string message, int seconds)
13         {
14             for(int i = 1; i < 3; i++)
15             {
16                 WriteLine("----------------------------------------------");
17                 Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
18                 WriteLine($"{name} starts to {message}");
19                 Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
20                 WriteLine($"{name} finishes to {message}");
21                 barrier.SignalAndWait();
22             }
23             
24         }
25 
26         static void Main(string[] args)
27         {
28             var t1 = new Thread(() => PlayMusic("the guitarist", "play an amazing solo", 5));
29             var t2 = new Thread(() => PlayMusic("the singer", "sing his song", 2));
30 
31             t1.Start();
32             t2.Start();
33         }
34     }
35 }

3、運行該控制台應用程式，運行效果如下圖所示：

　　在第10行代碼處，我們創建了一個Barrier的實例barrier，並給其構造方法的“participantCount”參數賦值為2，表示barrier參與線程的數量為2，也就是說要有2個線程達到阻塞後，barrier才發送通知信號，其阻塞線程才能繼續執行。第二個參數“postPhaseAction”是一個Action類型的委托，表示當阻塞線程達到規定數量後要執行的回調方法。

　　在第28~29行代碼處，我們創建了2個線程t1和t2，用於執行“PlayMusic”方法。t2線程首先執行到第21行代碼處，在這一行代碼中，我們線上程t2中調用了barrier的“SignalAndWait”方法，等待參與數量的線程達到構造方法指定的數量2時，才能繼續執行，因為，在t2線程調用該方法時，只有一個線程t2被阻塞，沒有達到規定數量2，所以，t2線程不能繼續執行。當t1線程執行到第21行代碼處時，也調用了barrier的“SignalAndWait”方法，這個時候等待線程的數量達到規定的數量2，所以t1和t2線程都能繼續執行，並且在barrier的構造方法的第二個參數指定的回調方法也被執行。

　　當兩個線程執行“PlayMusic”方法的第二次迴圈時，過程與第一次一樣，不在描述。

八、使用ReaderWriterLockSlim構造

　　在這一小節中，我們將學習如何使用ReaderWriterLockSlim構造來線程安全地使用多線程讀寫集合中的數據。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.Collections.Generic;
 3 using System.Threading;
 4 using static System.Console;
 5 using static System.Threading.Thread;
 6 
 7 namespace Recipe08
 8 {
 9     class Program
10     {
11         // 表示用於管理資源訪問的鎖定狀態，可實現多線程讀取或進行獨占式寫入訪問
12         static ReaderWriterLockSlim rw = new ReaderWriterLockSlim();
13         static Dictionary<int, int> items = new Dictionary<int, int>();
14 
15         static void Read()
16         {
17             WriteLine("Reading contents of a dictionary");
18             while (true)
19             {
20                 try
21                 {
22                     // 嘗試進入讀取模式鎖定狀態
23                     rw.EnterReadLock();
24                     foreach(var key in items.Keys)
25                     {
26                         Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1));
27                     }
28                 }
29                 finally
30                 {
31                     // 減少讀取模式的遞歸計數，併在生成的計數為 0（零）時退出讀取模式
32                     rw.ExitReadLock();
33                 }
34             }
35         }
36 
37         static void Write(string threadName)
38         {
39             while (true)
40             {
41                 try
42                 {
43                     int newKey = new Random().Next(250);
44                     // 嘗試進入可升級模式鎖定狀態
45                     rw.EnterUpgradeableReadLock();
46                     if (!items.ContainsKey(newKey))
47                     {
48                         try
49                         {
50                             // 嘗試進入寫入模式鎖定狀態
51                             rw.EnterWriteLock();
52                             items[newKey] = 1;
53                             WriteLine($"New key {newKey} is added to a dictionary by a {threadName}");
54                         }
55                         finally
56                         {
57                             // 減少寫入模式的遞歸計數，併在生成的計數為 0（零）時退出寫入模式
58                             rw.ExitWriteLock();
59                         }
60                     }
61                     Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1));
62                 }
63                 finally
64                 {
65                     // 減少可升級模式的遞歸計數，併在生成的計數為 0（零）時退出可升級模式
66                     rw.ExitUpgradeableReadLock();
67                 }
68             }
69         }
70 
71         static void Main(string[] args)
72         {
73             new Thread(Read) { IsBackground = true }.Start();
74             new Thread(Read) { IsBackground = true }.Start();
75             new Thread(Read) { IsBackground = true }.Start();
76 
77             new Thread(() => Write("Thread 1")) { IsBackground = true }.Start();
78             new Thread(() => Write("Thread 2")) { IsBackground = true }.Start();
79 
80             Sleep(TimeSpan.FromSeconds(20));
81         }
82     }
83 }

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73~75行代碼處，我們創建了3個後臺線程來讀取集合中的數據。在第77~78行代碼處，我們創建了2個後臺線程向集合中寫入數據。為了線程安全地對集合進行操作，我們使用為此場景專門設計的ReaderWriterLockSlim構造。該構造有兩種類型的鎖：讀取模式鎖和寫入模式鎖。讀取模式鎖允許多線程讀取數據，寫入模式鎖阻塞其他線程的每一個操作直到寫入模式鎖被釋放為止。

　　有一個非常有趣的場景，當我們想獲得一個讀取模式鎖從集合中讀取一些數據，並根據這些數據獲得一個寫入模式鎖以更新集合時，如果我們立即就獲得鎖定模式鎖的話不僅消耗的時間多，而且還不允許我們讀取數據，因為當我們獲得一個寫入模式鎖的時候，集合就被鎖定了。為了儘量減少這種時間的浪費，我們可以使用“EnterUpgradeableReadLock”方法獲得讀取模式鎖來讀取數據，如果讀取完畢數據後，我們發現需要更新底層集合，那麼我們可以使用“EnterWriteLock”升級我們的鎖，然後快速執行寫入操作並使用“ExitWriteLock”釋放寫入模式鎖，最後使用“ExitUpgradeableReadLock”釋放可升級模式鎖。

　　在上述代碼中，我們獲得一個隨機數，然後獲得一個讀取模式鎖，並檢查該隨機數是否已在集合中存在，如果不存在，我們升級該讀取模式鎖為寫入模式鎖，然後向集合中添加一個新的key。使用try/finally塊是一個比較好的方式，它可以保證我們總能釋放鎖獲得的鎖。

九、使用SpinWait構造

　　在這一小節中，我們將學習如何在不涉及kernel-mode構造的情況下等待一個線程的執行。另外還將介紹SpinWait構造，該構造是一種混合同步構造，主要用於設計在用戶模式中等待一段時間後，然後將其切換到內核模式，以節省CUP時間。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 Recipe09
 7 {
 8     class Program
 9     {
10         static volatile bool isCompleted = false;
11 
12         static void UserModeWait()
13         {
14             while (!isCompleted)
15             {
16                 Write(".");
17             }
18             WriteLine();
19             WriteLine("Waiting is complete");
20         }
21 
22         static void HybridSpinWait()
23         {
24             // 提供對基於自旋的等待的支持
25             var w = new SpinWait();
26             while (!isCompleted)
27             {
28                 // 執行單一自旋
29                 w.SpinOnce();
30                 // 獲取對 System.Threading.SpinWait.SpinOnce 的下一次調用是否將產生處理器，同時觸發強制上下文切換
31                 WriteLine(w.NextSpinWillYield);
32             }
33             WriteLine("Waiting is complete");
34         }
35 
36         static void Main(string[] args)
37         {
38             var t1 = new Thread(UserModeWait);
39             var t2 = new Thread(HybridSpinWait);
40 
41             WriteLine("Running user mode waiting");
42             t1.Start();
43             Sleep(20);
44             isCompleted = true;
45             Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
46             isCompleted = false;
47             WriteLine("Running hybrid SpinWait construct waiting");
48             t2.Start();
49             Sleep(5);
50             isCompleted = true;
51         }
52     }
53 }

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：

　　在上述程式中，我們創建了一個線程執行一個無線迴圈20毫秒，直到在主線程中將isCompleted變數設置為true。我們可以將此時間設置為20-30秒，然後打開任務管理器，我們可以看到CPU的使用率比較高。

　　我們使用volatile關鍵字聲明瞭一個名為“isCompleted”的靜態欄位。volatile 關鍵字指示一個欄位可以由多個同時執行的線程修改。聲明為 volatile 的欄位不受編譯器優化（假定由單個線程訪問）的限制。這樣可以確保該欄位在任何時間呈現的都是最新的值。

　　然後，我們使用SpinWait版本，在第29行代碼處，我們調用了SpinWait的“SpinOnce”方法，執行一次自旋。當SpinWait自旋達到一定次數後，如果有必要當前線程會讓出底層的時間片並觸發上下文切換。在這個版本中，如果我們將第49行代碼的等待時間修改為20~30秒，然後打開任務管理器，可以發現CPU使用率是比較低的。

　　至此，關於線程同步的知識就學習到這兒！

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