C# 線程同步詳解
前言
當(dāng)線程池的線程阻塞時(shí),線程池會(huì)創(chuàng)建額外的線程,而創(chuàng)建、銷毀和調(diào)度線程所需要相當(dāng)昂貴的內(nèi)存資源,另外,很多的開發(fā)人員看見自己程序的線程沒有做任何有用的事情時(shí)習(xí)慣創(chuàng)建更多的線程,為了構(gòu)建可伸縮、響應(yīng)靈敏的程序,我們?cè)谇懊娼榻B了C#異步編程詳解
但是異步編程同樣也存在著很嚴(yán)重的問題,如果兩個(gè)不同的線程訪問相同的變量和數(shù)據(jù),按照我們異步函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式,不可能存在兩個(gè)線程同時(shí)訪問相同的數(shù)據(jù),這個(gè)時(shí)候我們就需要線程同步。多個(gè)線程同時(shí)訪問共享數(shù)據(jù)的時(shí),線程同步能防止數(shù)據(jù)損壞,之所以強(qiáng)調(diào)同時(shí)這個(gè)概念,因?yàn)榫€程同步本質(zhì)就是計(jì)時(shí)問題。
異步和同步是相對(duì)的,同步就是順序執(zhí)行,執(zhí)行完一個(gè)再執(zhí)行下一個(gè),需要等待、協(xié)調(diào)運(yùn)行。異步就是彼此獨(dú)立,在等待某事件的過程中繼續(xù)做自己的事,不需要等待這一事件完成后再工作。線程就是實(shí)現(xiàn)異步的一個(gè)方式。異步是讓調(diào)用方法的主線程不需要同步等待另一線程的完成,從而可以讓主線程干其它的事情。
基元用戶模式和內(nèi)核模式構(gòu)造
基礎(chǔ)概念
基元:可以在代碼中使用的簡(jiǎn)單的構(gòu)造
用戶模式:通過特殊的CPU指令協(xié)調(diào)線程,操作系統(tǒng)永遠(yuǎn)檢測(cè)不到一個(gè)線程在基元用戶模式的構(gòu)造上阻塞。
內(nèi)核模式:由windows自身提供,在應(yīng)用程序的線程中調(diào)用由內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的函數(shù)。
用戶模式構(gòu)造
易變構(gòu)造
C#編譯器、JIT編譯器和CPU都會(huì)對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化,它們盡量保證保留我們的意圖,但是從多線程的角度出發(fā),我們的意圖并不一定會(huì)得到保留,下面舉例說明:
static void Main(string[] args) { Console.WriteLine("讓worker函數(shù)運(yùn)行5s后停止"); var t = new Thread(Worker); t.Start(); Thread.Sleep(5000); stop = true; Console.ReadLine(); } private static bool stop = false; private static void Worker(object obj) { int x = 0; while (!stop) { x++; } Console.WriteLine("worker函數(shù)停止x={0}",x); }
編譯器如果檢查到stop為false,就生成代碼來進(jìn)入一個(gè)無限循環(huán),并在循環(huán)中一直遞增x,所以優(yōu)化循環(huán)很快完成,但是編譯器只檢測(cè)stop一次,并不是每次都會(huì)檢測(cè)。
例子2---兩個(gè)線程同時(shí)訪問:
class test { private static int m_flag = 0; private static int m_value = 0; public static void Thread1(object obj) { m_value = 5; m_flag = 1; } public static void Thread2(object obj) { if (m_flag == 1) Console.WriteLine("m_value = {0}", m_value); } //多核CPU機(jī)器才會(huì)出現(xiàn)線程同步問題 public void Exec() { var thread1 = new Thread(Thread1); var thread2 = new Thread(Thread2); thread1.Start(); thread2.Start(); Console.ReadLine(); } }
程序在執(zhí)行的時(shí)候,編譯器必須將變量m_flag和m_value從RAM讀入CPU寄存器,RAM先傳遞m_value的值0,thread1把值變?yōu)?,但是thread2并不知道thread2仍然認(rèn)為值為0,這種問題一般來說發(fā)生在多核CPU的概率大一些,應(yīng)該CPU越多,多個(gè)線程同時(shí)訪問資源的幾率就越大。
關(guān)鍵字volatile,作用禁止C#編譯器、JTP編譯器和CPU執(zhí)行的一些優(yōu)化,如果做用于變量后,將不允許字段緩存到CPU的寄存器中,確保字段的讀寫都在RAM中進(jìn)行。
互鎖構(gòu)造
System.Threading.Interlocked類中的每個(gè)方法都執(zhí)行一次原子的讀取以及寫入操作,調(diào)用某個(gè)Interlocked方法之前的任何變量寫入都在這個(gè)Interlocked方法調(diào)用之前執(zhí)行,而調(diào)用之后的任何變量讀取都在這個(gè)調(diào)用之后讀取。
Interlocked方法主要是對(duì)INT32變量進(jìn)行靜態(tài)操作Add、Decrement、Compare、Exchange、CompareChange等方法,也接受object、Double等類型的參數(shù)。
原子操作:是指不會(huì)被線程調(diào)度機(jī)制打斷的操作;這種操作一旦開始,就一直運(yùn)行到結(jié)束,中間不會(huì)有任何 context switch (切換到另一個(gè)線程)。
代碼演示:
說明:通過Interlocked的方法異步查詢幾個(gè)web服務(wù)器,并同時(shí)返回?cái)?shù)據(jù),且結(jié)果只執(zhí)行一次。
//上報(bào)狀態(tài)類型 enum CoordinationStatus { Cancel, Timeout, AllDone }
class AsyncCoordinator { //AllBegun 內(nèi)部調(diào)用JustEnded來遞減它 private int _mOpCount = 1; //0=false,1=true private int _mStatusReported = 0; private Action<CoordinationStatus> _mCallback; private Timer _mTimer; //發(fā)起一個(gè)操作之前調(diào)用 public void AboutToBegin(int opsToAdd = 1) { Interlocked.Add(ref _mOpCount, opsToAdd); } //處理好一個(gè)操作的結(jié)果之后調(diào)用 public void JustEnded() { if (Interlocked.Decrement(ref _mOpCount) == 0) { ReportStatus(CoordinationStatus.AllDone); } } //該方法必須在發(fā)起所有操作后調(diào)用 public void AllBegin(Action<CoordinationStatus> callback, int timeout = Timeout.Infinite) { _mCallback = callback; if (timeout != Timeout.Infinite) { _mTimer = new Timer(TimeExpired, null, timeout, Timeout.Infinite); JustEnded(); } } private void TimeExpired(object o) { ReportStatus(CoordinationStatus.Timeout); } public void Cancel() { ReportStatus(CoordinationStatus.Cancel); } private void ReportStatus(CoordinationStatus status) { //如果狀態(tài)從未報(bào)告過,就報(bào)告它,否則就忽略它,只調(diào)用一次 if (Interlocked.Exchange(ref _mStatusReported, 1) == 0) { _mCallback(status); } } }
class MultiWebRequest { //輔助類 用于協(xié)調(diào)所有的異步操作 private AsyncCoordinator _mac = new AsyncCoordinator(); protected Dictionary<string,object> _mServers = new Dictionary<string, object> { {"http://www.baidu.com",null},{"http://www.Microsoft.com",null},{"http://www.cctv.com",null}, {"http://www.souhu.com",null},{"http://www.sina.com",null},{"http://www.tencent.com",null}, {"http://www.youku.com",null} }; private Stopwatch sp; public MultiWebRequest(int timeout = Timeout.Infinite) { sp = new Stopwatch(); sp.Start(); //通過異步方式一次性發(fā)起請(qǐng)求 var httpclient = new HttpClient(); foreach (var server in _mServers.Keys) { _mac.AboutToBegin(1); httpclient.GetByteArrayAsync(server).ContinueWith(task => ComputeResult(server, task)); } _mac.AllBegin(AllDone,timeout); Console.WriteLine(""); } private void ComputeResult(string server, Task<Byte[]> task) { object result; if (task.Exception != null) { result = task.Exception.InnerException; } else { //線程池處理IO result = task.Result.Length; } //保存返回結(jié)果的長(zhǎng)度 _mServers[server] = result; _mac.JustEnded(); } public void Cancel() { _mac.Cancel(); } private void AllDone(CoordinationStatus status) { sp.Stop(); Console.WriteLine("響應(yīng)耗時(shí)總計(jì){0}",sp.Elapsed); switch (status) { case CoordinationStatus.Cancel: Console.WriteLine("操作取消"); break; case CoordinationStatus.AllDone: Console.WriteLine("操作完成,完成的結(jié)果如下"); foreach (var server in _mServers) { Console.WriteLine("{0}",server.Key); object result = server.Value; if (result is Exception) { Console.WriteLine("錯(cuò)誤原因{0}",result.GetType().Name); } else { Console.WriteLine("返回字節(jié)數(shù)為:{0}",result); } } break; case CoordinationStatus.Timeout: Console.WriteLine("操作超時(shí)"); break; default: throw new ArgumentOutOfRangeException("status", status, null); } } }
非常建議大家參考一下以上代碼,我在對(duì)服務(wù)器進(jìn)行訪問時(shí),也會(huì)常常參考這個(gè)模型。
簡(jiǎn)單的自旋鎖
class SomeResource { private SimpleSpinLock s1 = new SimpleSpinLock(); public void AccessResource() { s1.Enter(); //一次是有一個(gè)線程才能進(jìn)入訪問 s1.Leave(); } } class SimpleSpinLock { private int _mResourceInUse; public void Enter() { while (true) { if(Interlocked.Exchange(ref _mResourceInUse,1)==0) return; } } public void Leave() { Volatile.Write(ref _mResourceInUse,1); } }
這就是一個(gè)線程同步鎖的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn),這種鎖的最大問題在于,存在競(jìng)爭(zhēng)的情況下會(huì)造成線程的“自旋”,這會(huì)浪費(fèi)CPU的寶貴時(shí)間,組織CPU做更多的工作,因此,這種自旋鎖應(yīng)該用于保護(hù)那些執(zhí)行的非??斓拇a。
以上就是本文的全部?jī)?nèi)容,希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作能帶來一定的幫助,同時(shí)也希望多多支持腳本之家!
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