C#線程同步--限量使用

来源:https://www.cnblogs.com/scmail81/archive/2018/08/21/9514611.html
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問題抽象：當某一資源同一時刻允許一定數量的線程使用的時候，需要有個機制來阻塞多餘的線程，直到資源再次變得可用。線程同步方案：Semaphore、SemaphoreSlim、CountdownEvent方案特性：限量供應；除所有者外，其他人無條件等待；先到先得，沒有先後順序 1、Semaphore類 ...


問題抽象：當某一資源同一時刻允許一定數量的線程使用的時候，需要有個機制來阻塞多餘的線程，直到資源再次變得可用。
線程同步方案：Semaphore、SemaphoreSlim、CountdownEvent
方案特性：限量供應；除所有者外，其他人無條件等待；先到先得，沒有先後順序

1、Semaphore類
      用於控制線程的訪問數量，預設的構造函數為initialCount和maximumCount，表示預設設置的信號量個數和最大信號量個數。當你WaitOne的時候，信號量自減，當Release的時候，信號量自增，然而當信號量為0的時候，後續的線程就不能拿到WaitOne了，所以必須等待先前的線程通過Release來釋放。

using System;
using System.Threading;

namespace ConsoleApp1
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Thread t1 = new Thread(Run1);
            t1.Start();
            Thread t2 = new Thread(Run2);
            t2.Start();
            Thread t3 = new Thread(Run3);
            t3.Start();
            Console.ReadKey();
        }

        //初始可以授予2個線程信號，因為第3個要等待前面的Release才能得到信號
        static Semaphore sem = new Semaphore(2, 10);

        static void Run1()
        {
            sem.WaitOne();
            Console.WriteLine("大家好，我是Run1;" + DateTime.Now.ToString("mm:ss"));

            //兩秒後
            Thread.Sleep(2000);
            sem.Release();
        }

        static void Run2()
        {
            sem.WaitOne();
            Console.WriteLine("大家好，我是Run2;" + DateTime.Now.ToString("mm:ss"));

            //兩秒後
            Thread.Sleep(2000);
            sem.Release();
        }

        static void Run3()
        {
            sem.WaitOne();
            Console.WriteLine("大家好，我是Run3;" + DateTime.Now.ToString("mm:ss"));

            //兩秒後
            Thread.Sleep(2000);
            sem.Release();
        }
    }
}
Program

在以上的方法中Release()方法相當於自增一個信號量，Release(5)自增5個信號量。但是，Release()到構造函數的第二個參數maximumCount的值就不能再自增了。

Semaphore可用於進程級交互。

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;

namespace ConsoleApp1
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {

            Thread t1 = new Thread(Run1);
            t1.Start();

            Thread t2 = new Thread(Run2);
            t2.Start();

            Console.Read();
        }

        //初始可以授予2個線程信號，因為第3個要等待前面的Release才能得到信號
        static Semaphore sem = new Semaphore(3, 10, "命名Semaphore");

        static void Run1()
        {
            sem.WaitOne();

            Console.WriteLine("進程：" + Process.GetCurrentProcess().Id + "  我是Run1" + DateTime.Now.TimeOfDay);
        }

        static void Run2()
        {
            sem.WaitOne();

            Console.WriteLine("進程：" + Process.GetCurrentProcess().Id + "  我是Run2" + DateTime.Now.TimeOfDay);
        }
    }
}
Program

直接運行兩次bin目錄的exe文件，就能發現最多只能輸出3個。

Semaphore可以限制可同時訪問某一資源或資源池的線程數。         Semaphore類在內部維護一個計數器，當一個線程調用Semaphore對象的Wait系列方法時，此計數器減一，只要計數器還是一個正數，線程就不會阻塞。當計數器減到0時，再調用Semaphore對象Wait系列方法的線程將被阻塞，直到有線程調用Semaphore對象的Release()方法增加計數器值時，才有可能解除阻塞狀態。   示例說明：
圖書館都配備有若幹台公用電腦供讀者查詢信息，當某日讀者比較多時，必須排隊等候。UseLibraryComputer實例用多線程模擬了多人使用多台電腦的過程 
using System;
using System.Threading;

namespace ConsoleApp1
{
    class Program
    {
        //圖書館擁有的公用電腦  
        private const int ComputerNum = 3;
        private static Computer[] LibraryComputers;
        //同步信號量  
        public static Semaphore sp = new Semaphore(ComputerNum, ComputerNum);

        static void Main(string[] args)
        {
            //圖書館擁有ComputerNum臺電腦  
            LibraryComputers = new Computer[ComputerNum];
            for (int i = 0; i < ComputerNum; i++)
                LibraryComputers[i] = new Computer("Computer" + (i + 1).ToString());
            int peopleNum = 0;
            Random ran = new Random();
            Thread user;
            System.Console.WriteLine("敲任意鍵模擬一批批的人排隊使用{0}台電腦，ESC鍵結束模擬……", ComputerNum);
            //每次創建若幹個線程，模擬人排隊使用電腦  
            while (System.Console.ReadKey().Key != ConsoleKey.Escape)
            {
                peopleNum = ran.Next(0, 10);
                System.Console.WriteLine("\n有{0}人在等待使用電腦。", peopleNum);

                for (int i = 1; i <= peopleNum; i++)
                {
                    user = new Thread(UseComputer);
                    user.Start("User" + i.ToString());
                }
            }
        }

        //線程函數  
        static void UseComputer(Object UserName)
        {
            sp.WaitOne();//等待電腦可用  

            //查找可用的電腦  
            Computer cp = null;
            for (int i = 0; i < ComputerNum; i++)
                if (LibraryComputers[i].IsOccupied == false)
                {
                    cp = LibraryComputers[i];
                    break;
                }
            //使用電腦工作  
            cp.Use(UserName.ToString());

            //不再使用電腦，讓出來給其他人使用  
            sp.Release();
        }
    }

    class Computer
    {
        public readonly string ComputerName = "";
        public Computer(string Name)
        {
            ComputerName = Name;
        }
        //是否被占用  
        public bool IsOccupied = false;
        //人在使用電腦  
        public void Use(String userName)
        {
            System.Console.WriteLine("{0}開始使用電腦{1}", userName, ComputerName);
            IsOccupied = true;
            Thread.Sleep(new Random().Next(1, 2000)); //隨機休眠，以模擬人使用電腦  
            System.Console.WriteLine("{0}結束使用電腦{1}", userName, ComputerName);
            IsOccupied = false;
        }
    }
}
Program

 

2、SemaphoreSlim類      在.net 4.0之前，framework中有一個重量級的Semaphore，可以跨進程同步，SemaphoreSlim輕量級不行，msdn對它的解釋為：限制可同時訪問某一資源或資源池的線程數。 
using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace ConsoleApp1
{
    class Program
    {
        static SemaphoreSlim slim = new SemaphoreSlim(Environment.ProcessorCount, 12);

        static void Main(string[] args)
        {
            for (int i = 0; i < 12; i++)
            {
                Task.Factory.StartNew((obj) =>
                {
                    Run(obj);
                }, i);
            }
            Console.Read();
        }

        static void Run(object obj)
        {
            slim.Wait();
            Console.WriteLine("當前時間:{0}任務 {1}已經進入。", DateTime.Now, obj);
            //這裡busy3s中
            Thread.Sleep(3000);
            slim.Release();
        }
    }
}
Program

同樣，防止死鎖的情況，我們需要知道”超時和取消標記“的解決方案，像SemaphoreSlim這種定死的”線程請求範圍“，其實是降低了擴展性，使用需謹慎，在覺得有必要的時候使用它

註:Semaphore類是SemaphoreSlim類的老版本,該版本使用純粹的內核時間(kernel-time)方式。     SemaphoreSlim類不使用Windows內核信號量,而且也不支持進程間同步。所以在跨程式同步的場景下可以使用Semaphore   3、CountdownEvent類      這種採用信號狀態的同步基元非常適合在動態的fork,join的場景，它採用“信號計數”的方式，就比如這樣，一個麻將桌只能容納4個人打麻將，如果後來的人也想搓一把碰碰運氣，那麼他必須等待直到麻將桌上的人走掉一位。好，這就是簡單的信號計數機制，從技術角度上來說它是定義了最多能夠進入關鍵代碼的線程數。      但是CountdownEvent更牛X之處在於我們可以動態的改變“信號計數”的大小，比如一會兒能夠容納8個線程，一下又4個，一下又10個，這樣做有什麼好處呢？比如一個任務需要載入1w條數據，那麼可能出現這種情況。 例如: 載入User表：         根據user表的數據量，我們需要開5個task。 載入Product表：    產品表數據相對比較多，計算之後需要開8個task。 載入order表：       由於我的網站訂單豐富，計算之後需要開12個task。 
using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace ConsoleApp1
{
    class Program
    {
        //預設的容納大小為“硬體線程“數
        static CountdownEvent cde = new CountdownEvent(Environment.ProcessorCount);

        static void LoadUser(object obj)
        {
            try
            {
                Console.WriteLine("ThreadId={0};當前任務:{1}正在載入User部分數據！", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, obj);
            }
            finally
            {
                cde.Signal();
            }
        }

        static void LoadProduct(object obj)
        {
            try
            {
                Console.WriteLine("ThreadId={0};當前任務:{1}正在載入Product部分數據！", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, obj);
            }
            finally
            {
                cde.Signal();
            }
        }

        static void LoadOrder(object obj)
        {
            try
            {
                Console.WriteLine("ThreadId={0};當前任務:{1}正在載入Order部分數據！", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, obj);
            }
            finally
            {
                cde.Signal();
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            //載入User表需要5個任務
            var userTaskCount = 5;
            //重置信號
            cde.Reset(userTaskCount);
            for (int i = 0; i < userTaskCount; i++)
            {
                Task.Factory.StartNew((obj) =>
                {
                    LoadUser(obj);
                }, i);
            }
            //等待所有任務執行完畢
            cde.Wait();
            Console.WriteLine("\nUser表數據全部載入完畢！\n");

            //載入product需要8個任務
            var productTaskCount = 8;
            //重置信號
            cde.Reset(productTaskCount);
            for (int i = 0; i < productTaskCount; i++)
            {
                Task.Factory.StartNew((obj) =>
                {
                    LoadProduct(obj);
                }, i);
            }
            cde.Wait();
            Console.WriteLine("\nProduct表數據全部載入完畢！\n");

            //載入order需要12個任務
            var orderTaskCount = 12;
            //重置信號
            cde.Reset(orderTaskCount);
            for (int i = 0; i < orderTaskCount; i++)
            {
                Task.Factory.StartNew((obj) =>
                {
                    LoadOrder(obj);
                }, i);
            }
            cde.Wait();
            Console.WriteLine("\nOrder表數據全部載入完畢！\n");

            Console.WriteLine("\n(*^__^*) 嘻嘻，恭喜你，數據全部載入完畢\n");
            Console.Read();
        }
    }
}
Program

我們看到有兩個主要方法：Wait和Signal。每調用一次Signal相當於麻將桌上走了一個人，直到所有人都搓過麻將wait才給放行，這裡同樣要註意也就是“超時“問題的存在性，尤其是在並行計算中，輕量級別給我們提供了”取消標記“的機制，這是在重量級別中不存在的

註:如果調用Signal()沒有到達指定的次數,那麼Wait()將一直等待,請確保使用每個線程完成後都要調用Signal方法。

 


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