多线程同步与锁机制

Posted 2021-04-21 goodgirlmia

本篇研究多线程同步与锁。

 

• 一、多线程同步

       多线程同步，这里的“同步”是指“协同合作”的意思，是多个线程协同完成执行某个操作。在软件系统中，多线程主要运用在以下场景：

       一个业务逻辑要做很多次同样操作才能完成，而且总体效率很低、需要花费较长时间。比如卖电影票，一个柜台的售票窗口只需要一个售票员（其他售票员就在空闲着等待下一场次，浪费了人力物力），而且卖一张电影票需要花费几分钟时间，一个场次假设卖50张，则需要几个小时，这就不能满足业务需要。这时候，要考虑多开几个售票窗口（或者提供淘票票、美团、大众点评等app方式售出），无论什么渠道，都看作是“线程”，这些线程都在做着相同一件事——就是把这些电影票一张一张地卖出，每售出一张，剩余的数量就减少一张，并且电影票号码是按顺序售出。

简单的售票例子：

/**************************************************** * 多线程同步例子----多窗口同时售票 *****************************************************/ classProgram     {         staticvoid Main(string[] args)         {             Tickets tickets = newTickets(1,50);               Thread thread1 = newThread(newParameterizedThreadStart(ThreadMethod));             thread1.Name = "线程1";             thread1.Start(tickets);               Thread thread2 = newThread(newParameterizedThreadStart(ThreadMethod));             thread2.Name = "线程2";             thread2.Start(tickets);         }           staticvoid ThreadMethod(Object t)         {             Tickets o = t asTickets;             bool run = true;             while (run)             {                 if (o.Quantity > 0)                 {                       Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + " 售出票：" + DateTime.Now.ToString("yyyyMMddhhmmss") +  (o.TicketNumber++).ToString().PadLeft(3, '0') + ",剩余数量：" + (--o.Quantity));                 }                 else                 {                       Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name  + "  --票售完了--");                       run = false;                 }             }         }     }       ///<summary>     ///电影票类     ///</summary>     classTickets     {         publicint TicketNumber { get; set; }         publicint Quantity { get; set; }         public Tickets(int number, int quantity)         {             this.TicketNumber = number;             this.Quantity = quantity;         }     }

 

输出结果：

上面代码，两个线程（看做是两个窗口）同时售票，但是输出结果却是出现无序的、跳号的混乱结果。这是因为线程1、2并发进行，同时读取并更新号段、数量，由于cpu资源调度，比如某个线程读取时另一个线程却对该数据做了修改，导致读取出的可能不是预期中的，最终输出结果就出现了类似跳号乱序甚至重复的结果，与预期的数据不一致。

 

这里除了涉及线程同步，还涉及到另外一个概念：线程安全。

       线程安全就是多线程访问时，采用了加锁机制，当一个线程访问该类的某个数据时，进行保护，其他线程不能进行访问直到该线程读取完，其他线程才可使用。不会出现数据不一致或者数据污染。线程不安全就是不提供数据访问保护，有可能出现多个线程先后更改数据造成所得到的数据是脏数据。 ---百度百科中的定义。

        类似这种当多个线程同时对一个对象执行读写操作的场景，需要考虑线程安全。解决线程安全常用的机制有lock（Java对应的同步机制是Synchronized）。lock的目的是防止多线程执行的时候出现并发操作问题，在其锁定的区域内，在这个时刻只允许一个线程操作、并按顺序执行。

 

所以，要解决上述问题，在上述黄色括号内加粗的代码段加上锁即可，比如：

lock (o)                 {                     if (o.Quantity >  0)                      {                          Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name  + "  售出票：" + DateTime.Now.ToString("yyyyMMddhhmmss") +  (o.TicketNumber++).ToString().PadLeft(3, '0') + ",剩余数量：" + (--o.Quantity));                      }                      else                      {                          Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name  + "  --票售完了--");                          run = false;                      }                 }

输出结果：

 

除了上述场景，还有另外一个常见的比如后台程序在做比较复杂或者耗时的处理时，前台在等待，这种情况界面出现“假死”，用户处于未知的等待。比如在winform开发中的主界面线程与后台线程的处理、进度条的实现，这些不详述啦。

 

总之使用多线程就是为了充分利用cpu的资源，尽量减少cpu的空闲率，提高程序的整体执行效率。不过由于线程也会消耗资源，一定程度上降低性能，所以也要注意在不同场景下的使用。

 

• 二、多线程加锁

上面总结在什么场景下使用多线程，以及实现多线程同步的例子，其中用了锁达到同步目的。那么，什么情况下使用锁？

        一般情况下，当多线程同时访问一个共享资源时，则需要考虑锁，比如全局静态变量，某些缓存中的值，线程内部的变量不需要锁定。

 

Lock常见用法：

1、Lock(this)：锁住当前实例。如果有多个类实例的话，lock锁定的只是当前类实例，对其它类实例无影响。

2、Lock(object)：定义一个静态的object对象obj，然后在需要加锁的区域块lock(obj)。

下面说明这两者的区别：

把上面例子代码改造一下，把售票这个操作放到单独的类中去实现，然后两个线程分别实例化这个类去调用售票方法。

/*************************************************** * 多线程多实例加锁 ****************************************************/     classProgram     {         staticvoid Main(string[] args)         {             Tickets tickets = new Tickets(1, 30);               Program p = new Program();             Thread thread1 = new Thread(new  ParameterizedThreadStart(p.ThreadMethod));             thread1.Name = "线程1";             thread1.Start(tickets);               Thread thread2 = new Thread(new  ParameterizedThreadStart(p.ThreadMethod));             thread2.Name = "线程2";             thread2.Start(tickets);         }           ///<summary>         ///实例化销售电影票类，调用售票操作         ///</summary>         ///<param name="t"></param>         void ThreadMethod(Object t)         {              SellTicket ts = new SellTicket();              ts.SellTickets(t);         }     }       ///<summary>     ///电影票类     ///</summary>      classTickets     {         publicint TicketNumber { get; set; }         publicint Quantity { get; set; }         public Tickets(int number, int quantity)         {             this.TicketNumber =  number;             this.Quantity = quantity;         }     }       ///<summary>     ///销售电影票类     ///</summary>     classSellTicket {         privatereadonly  staticobject obj = newobject();           ///<summary>         ///售票操作         ///</summary>         ///<param name="t"></param>         publicvoid  SellTickets(Object t)         {             Tickets o = t as Tickets;             bool run = true;             while (run)             {                 lock (this)  //lock(o) //lock(obj)                 {                     if (o.Quantity >  0)                     {                          Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + " 售出票：" +  DateTime.Now.ToString("yyyyMMddhhmmss") + (o.TicketNumber++).ToString().PadLeft(3, '0') + ",剩余数量：" +  (--o.Quantity));                     }                     else                     {                          Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + " --票售完了--");                         run = false;                     }                 }             }         }      }

（1）用Lock(this)，输出结果：

 

再运行一次：

 

（2）用Lock(object)

注意：

①  如果obj是静态变量，即private readonly static object obj = new object();

输出结果：成功的。

②如果obj是非静态变量，即private  object obj = new object();

输出结果：线程并发，失败。

 

总结：

lock(this) ——当用在不同线程调不同实例的情况下，lock锁定的只是当前类实例，对其它类实例无影响，所以会出现在同一时刻两个线程同时读写一个公共资源，以及lock内的代码不是按照顺序执行，违反了同步的原则。

lock(object)——当用在不同线程调不同实例的情况下，如果object是静态变量，则成功；若object是非静态变量，则失败。当用在单实例情况下，object是静态与非静态，都成功。即：

多线程单实例非静态锁，线程没有并发（锁成功）；

多线程单实例静态锁，线程没有并发（锁成功）；

多线程多实例非静态锁，线程并发（锁失败）；

多线程多实例静态锁，线程没有并发（锁成功）。

 

再来强调下同步lock的目的是防止多线程执行的时候出现并发操作问题，在其锁定的区域内，在这个时刻只允许一个线程操作，也就是说当对同一个资源进行读写的时候，我们要使该资源在同一时刻只能被一个线程操作。

 

最后，Lock还可以用Monitor代替，lock就是用 Monitor 类来实现的，即lock是Monitor的封装。如上述例子加了lock的代码段可以改成如下：

Monitor.Enter(o);                 if (o.Quantity > 0)                 {                     Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + "  售出票：" + DateTime.Now.ToString("yyyyMMddhhmmss") +  (o.TicketNumber++).ToString().PadLeft(3, '0') + ",剩余数量：" + --o.Quantity);                 }                 else                 {                     Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + "  --票售完了--");                     run = false;                 }                 Monitor.Exit(o);

本篇就不详细讨论，下一篇再继续研究。