编写高质量代码改善C#程序的157个建议——建议72：在线程同步中使用信号量

Posted 2020-10-16

 

建议72：在线程同步中使用信号量

所谓线程同步，就是多个线程在某个对象上执行等待（也可理解为锁定该对象），直到该对象被解除锁定。C#中对象的类型分为引用类型和值类型。CLR在这两种类型上的等待是不一样的。我们可以简单地理解为在CLR中，值类型是不能被锁定的，即不能在一个值类型对象上执行等待。而在引用类型上的等待机制，又分为两类：锁定和信号同步。

锁定使用关键字lock和类型Monitor。两者没有实质区别，前者其实是后者的语法糖。这是最常用的同步技术。

本建议主要讨论信号同步。信号同步机制中涉及的类型都继承自抽象类WaitHandle，这些类型有EventWaitHandle（类型化为AutoResetEvent、ManualResetEvent）、Semaphore以及Mutex。见类图6-3。

 
图6-3　同步功能类的类图
EventWaitHandle（子类为AutoResetEvent、ManualResetEvent）、Semaphore以及Mutex都继承自WaitHandle，所以它们底层的原理是一致的，维护的都是一个系统内核句柄。不过我们仍需简单地区分这三个类的类型。

EventWaitHandle维护一个由内核产生的布尔类型对象（称为“阻滞状态”），如果其值为false，那么在它上面等待的线程就阻塞。可以调用类型的Set方法将其值设置为true，解除阻塞。EventWaitHandle类型有两个子类AutoResetEvent和ManualResetEvent，它们的区别并不大，本建议接下来会针对它们阐述如何正确使用信号量。

Semaphore维护一个由内核产生的整型变量，如果其值为0，则在它上面等待的线程就会阻塞；如果其值大于0，则解除阻塞，同时，每解除一个线程阻塞，其值就减1。

EventWaitHandle和Semaphore提供的都是单应用程序域内的线程同步功能，Mutex则不同，它为我们提供了跨应用程序域阻塞和解除阻塞线程的能力。

使用信号机制提供线程同步的一个简单例子如下所示：

AutoResetEvent autoResetEvent = new AutoResetEvent(false);  
 
private void buttonStartAThread_Click(object sender, EventArgs e)  
{  
    Thread tWork = new Thread(() =>
    {  
        label1.Text = "线程启动..." + Environment.NewLine;  
        label1.Text += "开始处理一些实际的工作" + Environment.NewLine;  
        //省略工作代码  
        label1.Text += "我开始等待别的线程给我信号，才愿意继续下去" + Environment.NewLine;   
        autoResetEvent.WaitOne();  
        label1.Text += "我继续做一些工作，然后结束了！";  
        //省略工作代码  
    });  
    tWork.IsBackground = true;  
    tWork.Start();  
}  
 
private void buttonSet_Click(object sender, EventArgs e)  
{  
    //给在autoResetEvent上等待的线程一个信号  
    autoResetEvent.Set();  
} 

 

这是一个简单的Winform窗体程序，其中一个按钮负责开启一个新的线程，另一个按钮负责给刚开启的那个线程发送信号。现在详细解释其中发生的事情。

AutoResetEvent autoResetEvent = new AutoResetEvent(false); 

 

这段代码创建了一个同步类型对象autoResetEvent，它设置自己的默认阻滞状态是false。这意味着任何在它上面进行等待的线程都将被阻滞。所谓等待，就是在线程中应用：

autoResetEvent.WaitOne(); 

 

这说明tWork开始在autoResetEvent上等待任何其他地方给它的信号。信号来了，则tWork开始继续工作，否则就一直等着（即阻滞）。接下来看看主线程中的这句代码（本例中即UI线程，它相对于线程tWork来说，就是一个“另外的线程”）：

autoResetEvent.Set(); 

 

主线程通过上面这句代码向在autoResetEvent上等待的线程tWork上下文发送信号，即将tWork的阻滞状态设置为true。tWork接收到这个信号后，开始继续工作。 这个例子相当简单，但是已经完整说明了信号机制的工作原理。 AutoResetEvent和ManualResetEvent的区别是：前者在发送信号完毕后（即调用Set方法），会自动将自己的阻滞状态设置为false，而后者则需要进行手动设定。通过一个例子来说明这种区别，如下所示：

AutoResetEvent autoResetEvent = new AutoResetEvent(false);  
 
private void buttonStartAThread_Click(object sender, EventArgs e)  
{  
    StartThread1();  
    StartThread2();  
}  
 
private void StartThread1()  
{  
    Thread tWork1 = new Thread(() =>
    {  
        label1.Text = "线程1启动..." + Environment.NewLine;  
        label1.Text += "开始处理一些实际的工作" + Environment.NewLine;  
        //省略工作代码  
        label1.Text += "我开始等待别的线程给我信号，才愿意继续下去" + Environment.NewLine;  
        autoResetEvent.WaitOne();  
        label1.Text += "我继续做一些工作，然后结束了！";  
        //省略工作代码  
    });  
    tWork1.IsBackground = true;  
    tWork1.Start();  
}  
 
private void StartThread2()  
{  
    Thread tWork2 = new Thread(() =>
    {  
        label2.Text = "线程2启动..." + Environment.NewLine;  
        label2.Text += "开始处理一些实际的工作" + Environment.NewLine;  
        //省略工作代码  
        label2.Text += "我开始等待别的线程给我信号，才愿意继续下去" + Environment.NewLine;  
        autoResetEvent.WaitOne();  
        label2.Text += "我继续做一些工作，然后结束了！";  
        //省略工作代码  
    });  
    tWork2.IsBackground = true;  
    tWork2.Start();  
}  
 
private void buttonSet_Click(object sender, EventArgs e)  
{  
    //给在autoResetEvent上等待的线程一个信号  
    autoResetEvent.Set();  
} 

 

这个例子的本意是要让新起的两个工作线程tWork1和tWork2都阻滞，直到收到主线程的信号再继续工作。而程序运行的结果是，只有一个工作线程继续工作，另外一个工作线程则继续保持阻滞状态。我想可能大家都已经猜到原因了，即AutoResetEvent发送信号完毕就在内核中自动将自己的状态设置回false了，所以另外一个工作线程相当于根本没有收到主线程的信号。

要修正这个问题，可以使用ManualResetEvent。大家可以将其换成ManualResetEvent试一下。

最后，再举一个需要用到线程同步的实际例子：模拟网络通信。客户端在运行过程中，服务器每隔一段的时间会给客户端发送心跳数据。实际工作中的服务器和客户端在网络中是两台不同的终端，不过在这个例子中我们将其进行了简化：工作线程tClient模拟客户端，主线程（UI线程）模拟服务器端。客户端每3秒检测是否收到服务器的心跳数据，如果没有心跳数据，则显示网络连接断开。代码如下所示：

AutoResetEvent autoResetEvent = new AutoResetEvent(false);  
 
private void buttonStartAThread_Click(object sender, EventArgs e)  
{  
    Thread tClient = new Thread(() =>
        {  
            while (true)  
            {  
                //等3秒，3秒没有信号，显示断开  
                //有信号，则显示更新  
                bool re = autoResetEvent.WaitOne(3000);  
                if (re)  
                {  
                    label1.Text = string.Format("时间：{0}，{1}",   
                        DateTime.Now.ToString(), "保持连接状态");  
                }  
                else  
                {  
                    label1.Text = string.Format("时间：{0}，{1}",   
                        DateTime.Now.ToString(), "断开，需要重启");  
                }  
            }  
        });  
    tClient.IsBackground = true;  
    tClient.Start();  
}  
 
private void buttonSet_Click(object sender, EventArgs e)  
{  
    //模拟发送心跳数据  
    autoResetEvent.Set();  
} 

 

转自：《编写高质量代码改善C#程序的157个建议》陆敏技