C#多线程之线程同步3

Posted 2020-08-24 编码之道

　　在上一篇C#多线程之线程同步篇2中，我们主要学习了AutoResetEvent构造、ManualResetEventSlim构造和CountdownEvent构造，在这一篇中，我们将学习Barrier构造、ReaderWriterLockSlim构造和SpinWait构造。

七、使用Barrier构造

　　在这一小节中，我们将学习一个比较有意思的同步构造：Barrier。Barrier构造可以帮助我们控制多个等待线程达到指定数量后，才发送通知信号，然后所有等待线程才能继续执行，并且在每次等待线程达到指定数量后，还能执行一个回调方法。具体步骤如下所示：

1、使用Visual Studio 2015创建一个新的控制台应用程序。

2、双击打开“Program.cs”文件，编写代码如下所示：

 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、运行该控制台应用程序，运行效果如下图所示：

　　在第10行代码处，我们创建了一个Barrier的实例barrier，并给其构造方法的“participantCount”参数赋值为2，表示barrier参与线程的数量为2，也就是说要有2个线程达到阻塞后，barrier才发送通知信号，其阻塞线程才能继续执行。第二个参数“postPhaseAction”是一个Action类型的委托，表示当阻塞线程达到规定数量后要执行的回调方法。

　　在第28~29行代码处，我们创建了2个线程t1和t2，用于执行“PlayMusic”方法。t2线程首先执行到第21行代码处，在这一行代码中，我们在线程t2中调用了barrier的“SignalAndWait”方法，等待参与数量的线程达到构造方法指定的数量2时，才能继续执行，因为，在t2线程调用该方法时，只有一个线程t2被阻塞，没有达到规定数量2，所以，t2线程不能继续执行。当t1线程执行到第21行代码处时，也调用了barrier的“SignalAndWait”方法，这个时候等待线程的数量达到规定的数量2，所以t1和t2线程都能继续执行，并且在barrier的构造方法的第二个参数指定的回调方法也被执行。

　　当两个线程执行“PlayMusic”方法的第二次循环时，过程与第一次一样，不在描述。

八、使用ReaderWriterLockSlim构造

　　在这一小节中，我们将学习如何使用ReaderWriterLockSlim构造来线程安全地使用多线程读写集合中的数据。具体步骤如下所示：

1、使用Visual Studio 2015创建一个新的控制台应用程序。

2、双击打开“Program.cs”文件，编写代码如下所示：

 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         // 表示用于管理资源访问的锁定状态，可实现多线程读取或进行独占式写入访问
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                     // 尝试进入读取模式锁定状态
23                     rw.EnterReadLock();
24                     foreach(var key in items.Keys)
25                     {
26                         Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1));
27                     }
28                 }
29                 finally
30                 {
31                     // 减少读取模式的递归计数，并在生成的计数为 0（零）时退出读取模式
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                     // 尝试进入可升级模式锁定状态
45                     rw.EnterUpgradeableReadLock();
46                     if (!items.ContainsKey(newKey))
47                     {
48                         try
49                         {
50                             // 尝试进入写入模式锁定状态
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                             // 减少写入模式的递归计数，并在生成的计数为 0（零）时退出写入模式
58                             rw.ExitWriteLock();
59                         }
60                     }
61                     Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1));
62                 }
63                 finally
64                 {
65                     // 减少可升级模式的递归计数，并在生成的计数为 0（零）时退出可升级模式
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、运行该控制台应用程序，运行效果（每次运行效果可能不同）如下图所示：

　　在第73~75行代码处，我们创建了3个后台线程来读取集合中的数据。在第77~78行代码处，我们创建了2个后台线程向集合中写入数据。为了线程安全地对集合进行操作，我们使用为此场景专门设计的ReaderWriterLockSlim构造。该构造有两种类型的锁：读取模式锁和写入模式锁。读取模式锁允许多线程读取数据，写入模式锁阻塞其他线程的每一个操作直到写入模式锁被释放为止。

　　有一个非常有趣的场景，当我们想获得一个读取模式锁从集合中读取一些数据，并根据这些数据获得一个写入模式锁以更新集合时，如果我们立即就获得锁定模式锁的话不仅消耗的时间多，而且还不允许我们读取数据，因为当我们获得一个写入模式锁的时候，集合就被锁定了。为了尽量减少这种时间的浪费，我们可以使用“EnterUpgradeableReadLock”方法获得读取模式锁来读取数据，如果读取完毕数据后，我们发现需要更新底层集合，那么我们可以使用“EnterWriteLock”升级我们的锁，然后快速执行写入操作并使用“ExitWriteLock”释放写入模式锁，最后使用“ExitUpgradeableReadLock”释放可升级模式锁。

　　在上述代码中，我们获得一个随机数，然后获得一个读取模式锁，并检查该随机数是否已在集合中存在，如果不存在，我们升级该读取模式锁为写入模式锁，然后向集合中添加一个新的key。使用try/finally块是一个比较好的方式，它可以保证我们总能释放锁获得的锁。

九、使用SpinWait构造

　　在这一小节中，我们将学习如何在不涉及kernel-mode构造的情况下等待一个线程的执行。另外还将介绍SpinWait构造，该构造是一种混合同步构造，主要用于设计在用户模式中等待一段时间后，然后将其切换到内核模式，以节省CUP时间。具体步骤如下所示：

1、使用Visual Studio 2015创建一个新的控制台应用程序。

2、双击打开“Program.cs”文件，编写代码如下所示：

 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             // 提供对基于自旋的等待的支持
25             var w = new SpinWait();
26             while (!isCompleted)
27             {
28                 // 执行单一自旋
29                 w.SpinOnce();
30                 // 获取对 System.Threading.SpinWait.SpinOnce 的下一次调用是否将产生处理器，同时触发强制上下文切换
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、运行该控制台应用程序，运行效果（每次运行效果可能不同）如下图所示：

　　在上述程序中，我们创建了一个线程执行一个无线循环20毫秒，直到在主线程中将isCompleted变量设置为true。我们可以将此时间设置为20-30秒，然后打开任务管理器，我们可以看到CPU的使用率比较高。

　　我们使用volatile关键字声明了一个名为“isCompleted”的静态字段。volatile 关键字指示一个字段可以由多个同时执行的线程修改。声明为 volatile 的字段不受编译器优化（假定由单个线程访问）的限制。这样可以确保该字段在任何时间呈现的都是最新的值。

　　然后，我们使用SpinWait版本，在第29行代码处，我们调用了SpinWait的“SpinOnce”方法，执行一次自旋。当SpinWait自旋达到一定次数后，如果有必要当前线程会让出底层的时间片并触发上下文切换。在这个版本中，如果我们将第49行代码的等待时间修改为20~30秒，然后打开任务管理器，可以发现CPU使用率是比较低的。

　　至此，关于线程同步的知识就学习到这儿！

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