C#多线程：深入了解线程同步lock,Monitor,Mutex,同步事件和等待句柄（中）

Posted 2020-08-25 白色的回忆

本篇继续介绍WaitHandler类及其子类 Mutex，ManualResetEvent，AutoResetEvent的用法。.NET中线程同步的方式多的让人看了眼花缭乱，究竟该怎么去理解呢？其实，我们抛开.NET环境看线程同步，无非是执行两种操作：一是互斥/加锁，目的是保证临界区代码操作的“原子性”；另一种是信号灯操作，目的是保证多个线程按照一定顺序执行，如生产者线程要先于消费者线程执行。.NET中线程同步的类无非是对这两种方式的封装，目的归根结底都可以归结为实现互斥/ 加锁或者是信号灯这两种方式，只是它们的适用场合有所不。下面我们根据类的层次结构了解WaitHandler及其子类。 
      1.WaitHandler 

      WaitHandle是Mutex，Semaphore，EventWaitHandler，AutoResetEvent，ManualResetEvent共同的祖先，它封装Win32同步句柄内核对象，也就是说是这些内核对象的托管版本。 

      线程可以通过调用WaitHandler实例的方法WaitOne在单个等待句柄上阻止。此外，WaitHandler类重载了静态方法，以等待所有指定的等待句柄都已收集到信号WaitAll，或者等待某一指定的等待句柄收集到信号WaitAny。这些方法都提供了放弃等待的超时间隔、在进入等待之前退出同步上下文的机会，并允许其它线程使用同步上下文。WaitHandler是C#中的抽象类，不能实例化。 

      2.EventWaitHandler vs. ManualResetEvent vs. AutoResetEvent（同步事件） 

      我们先看看两个子类ManualResetEvent和AutoResetEvent在.NET Framework中的实现： 

C#代码  

1. //.NET Framework中ManualResetEvent类的实现  
2.     [ComVisible(true), HostProtection(SecurityAction.LinkDemand, Synchronization = true, ExternalThreading = true)]  
3.     public sealed class ManualResetEvent : EventWaitHandle  
4.     {  
5.         // Methods  
6.         public ManualResetEvent(bool initialState) : base(initialState, EventResetMode.ManualReset)  
7.         {  
8.         }  
9.     }  
10.   
11.     //.NET Framework中AutoResetEvent类的实现  
12.     [ComVisible(true), HostProtection(SecurityAction.LinkDemand, Synchronization = true, ExternalThreading = true)]  
13.     public sealed class AutoResetEvent : EventWaitHandle  
14.     {  
15.         // Methods  
16.         public AutoResetEvent(bool initialState)  
17.             : base(initialState, EventResetMode.AutoReset)  
18.         {  
19.         }  
20.     }  

  原来ManualResetEvent和AutoResetEvent都继承自EventWaitHandler，它们的唯一区别就在于父类 EventWaitHandler的构造函数参数EventResetMode不同，这样我们只要弄清了参数EventResetMode值不同时，EventWaitHandler类控制线程同步的行为有什么不同，两个子类也就清楚了。为了便于描述，我们不去介绍父类的两种模式，而直接介绍子类。 

      ManualResetEvent和AutoResetEvent的共同点： 
      1）Set方法将事件状态设置为终止状态，允许一个或多个等待线程继续；Reset方法将事件状态设置为非终止状态，导致线程阻止；WaitOne阻止当前线程，直到当前线程的WaitHandler收到事件信号。 
      2）可以通过构造函数的参数值来决定其初始状态，若为true则事件为终止状态从而使线程为非阻塞状态，为false则线程为阻塞状态。 
      3）如果某个线程调用WaitOne方法，则当事件状态为终止状态时，该线程会得到信号，继续向下执行。 

      ManualResetEvent和AutoResetEvent的不同点： 
      1）AutoResetEvent.WaitOne()每次只允许一个线程进入，当某个线程得到信号后，AutoResetEvent会自动又将信号置为不发送状态，则其他调用WaitOne的线程只有继续等待，也就是说AutoResetEvent一次只唤醒一个线程； 
      2）ManualResetEvent则可以唤醒多个线程，因为当某个线程调用了ManualResetEvent.Set()方法后，其他调用WaitOne的线程获得信号得以继续执行，而ManualResetEvent不会自动将信号置为不发送。 
      3）也就是说，除非手工调用了ManualResetEvent.Reset()方法，则ManualResetEvent将一直保持有信号状态，ManualResetEvent也就可以同时唤醒多个线程继续执行。 

      示例场景：张三、李四两个好朋友去餐馆吃饭，两个人点了一份宫爆鸡丁，宫爆鸡丁做好需要一段时间，张三、李四不愿傻等，都专心致志的玩起了手机游戏，心想宫爆鸡丁做好了，服务员肯定会叫我们的。服务员上菜之后，张三李四开始享用美味的饭菜，饭菜吃光了，他们再叫服务员过来买单。我们可以从这个场景中抽象出来三个线程，张三线程、李四线程和服务员线程，他们之间需要同步：服务员上菜—>张三、李四开始享用宫爆鸡丁—>吃好后叫服务员过来买单。这个同步用什么呢？ ManualResetEvent还是AutoResetEvent？通过上面的分析不难看出，我们应该用ManualResetEvent进行同步，下面是程序代码： 

张三李四吃饭的故事 

C#代码  

1. public class EventWaitTest  
2.     {  
3.         private string name; //顾客姓名  
4.         //private static AutoResetEvent eventWait = new AutoResetEvent(false);  
5.         private static ManualResetEvent eventWait = new ManualResetEvent(false);  
6.         private static ManualResetEvent eventOver = new ManualResetEvent(false);  
7.   
8.         public EventWaitTest(string name)  
9.         {  
10.             this.name = name;  
11.         }  
12.   
13.         public static void Product()  
14.         {  
15.             Console.WriteLine("服务员：厨师在做菜呢，两位稍等");  
16.             Thread.Sleep(2000);  
17.             Console.WriteLine("服务员：宫爆鸡丁好了");  
18.             eventWait.Set();  
19.             while (true)  
20.             {  
21.                 if (eventOver.WaitOne(1000, false))  
22.                 {  
23.                     Console.WriteLine("服务员：两位请买单");  
24.                     eventOver.Reset();  
25.                 }  
26.             }  
27.         }  
28.   
29.         public void Consume()  
30.         {  
31.             while (true)  
32.             {  
33.                 if (eventWait.WaitOne(1000, false))  
34.                 {  
35.                     Console.WriteLine(this.name + "：开始吃宫爆鸡丁");  
36.                     Thread.Sleep(2000);  
37.                     Console.WriteLine(this.name + "：宫爆鸡丁吃光了");  
38.                     eventWait.Reset();  
39.                     eventOver.Set();  
40.                     break;  
41.                 }  
42.                 else  
43.                 {  
44.                     Console.WriteLine(this.name + "：等着上菜无聊先玩会手机游戏");  
45.                 }  
46.             }  
47.         }  
48.     }  
49.   
50.     public class App  
51.     {  
52.         public static void Main(string[] args)  
53.         {  
54.             EventWaitTest zhangsan = new EventWaitTest("张三");  
55.             EventWaitTest lisi = new EventWaitTest("李四");  
56.   
57.             Thread t1 = new Thread(new ThreadStart(zhangsan.Consume));  
58.             Thread t2 = new Thread(new ThreadStart(lisi.Consume));  
59.             Thread t3 = new Thread(new ThreadStart(EventWaitTest.Product));  
60.   
61.             t1.Start();  
62.             t2.Start();  
63.             t3.Start();  
64.   
65.             Console.Read();           
66.         }  
67.     }  

编译后查看运行结果，符合我们的预期，控制台输出为： 
      服务员：厨师在做菜呢，两位稍等... 
      张三：等着上菜无聊先玩会手机游戏 
      李四：等着上菜无聊先玩会手机游戏 
      张三：等着上菜无聊先玩会手机游戏 
      李四：等着上菜无聊先玩会手机游戏 
      服务员：宫爆鸡丁好了 
      张三：开始吃宫爆鸡丁 
      李四：开始吃宫爆鸡丁 
      张三：宫爆鸡丁吃光了 
      李四：宫爆鸡丁吃光了 
      服务员：两位请买单 

      如果改用AutoResetEvent进行同步呢？会出现什么样的结果？恐怕张三和李四就要打起来了，一个享用了美味的宫爆鸡丁，另一个到要付账的时候却还在玩游戏。感兴趣的朋友可以把注释的那行代码注释去掉，并把下面一行代码注释掉，运行程序看会出现怎样的结果。 

       3.Mutex(互斥体） 

       Mutex和EventWaitHandler有着共同的父类WaitHandler类，它们同步的函数用法也差不多，这里不再赘述。Mutex的突出特点是可以跨应用程序域边界对资源进行独占访问，即可以用于同步不同进程中的线程，这种功能当然这是以牺牲更多的系统资源为代价的。 

      这种跨进程同步的一种应用是，限制同一台电脑中同时打开两个相同的程序。具体实现可以参考《用Mutex或进程限制用户在一台电脑上同时打开两个程序》。