C#中的多線程小試牛刀
前言
昨天在上班時瀏覽博問，發(fā)現(xiàn)了一個問題，雖然自己在 C# 多線程上沒有怎么嘗試過，看了幾遍 CLR 中關于 線程的概念和講解（后面三章）。也想拿來實踐實踐。問題定義是這樣的：
對于多線程不是很懂，面試的時候遇到一個多線程的題，不會做，分享出來，懂的大佬指點一下，謝謝
建一個winform窗體，在窗體中放上一個開始按鈕，一個停止按鈕，一個文本框，在窗體中聲明一個List類型的屬性，點擊開始按鈕后開啟10個線程，所有線程同時不間斷的給List集合中添加1-10000之間的隨機數(shù)，要求添加List集合中的數(shù)字不能重復，并且實時在文本框中顯示集合的長度，當集合List的長度等于1000時自動停止所有線程，如果中途點擊停止按鈕也停止所有線程，點擊開始又繼續(xù)執(zhí)行。
我其實沒有完全實現(xiàn)了這位博問中提問的同學的需求，具體問題的來源可查看該地址 問題來源
開始嘗試
剛拿到這個需求的時候，映入我腦海里的是 Task, Threadpool，Concurrent，和 Lock 等概念，接下來就是組裝和編碼的過程了，首先理一理頭緒，
- 生成隨機數(shù)
- 插入到 List 中，且不能重復
- 開啟多個線程同時插入。
首先是生成 隨機數(shù)，使用 System.Random 類來生成偽隨機數(shù)（這個其實性能和效率賊低，后面再敘述）
private int GenerateInt32Num()
{
var num = random.Next(0, TOTAL_NUM);
return num;
}
然后是插入到 List<Int32> 中的代碼，判斷是否 已經達到了 我們需要的 List 長度，如果已滿足，則退出程序。
private void AddToList(int num)
{
if (numList.Count == ENDNUM)
{
return;
}
numList.Add(num);
}
如果是個 單線程的，按照上面那樣 while(true) 然后一直插入即可，可這個是個 多線程，那么需要如何處理呢？
我思考了一下，想到了之前在 CLR 中學到的 可以用 CancellationTokenSource 中的 Cancel 來通知 Task 來取消操作。所以現(xiàn)在的邏輯是，用線程池來實現(xiàn)多線程。然后傳入 CancellationTokenSource.Token 來取消任務。
最后用 Task.WhanAny() 來獲取到第一個到達此 Task 的 ID。
首先是建立 Task[] 的數(shù)組
internal void DoTheCompeteSecond()
{
Task[] tasks = new Task[10];
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
int num = i;
tasks[i] = Task.Factory.StartNew(() => AddNumToList(num, cts), cts.Token);
}
Task.WaitAny(tasks);
}
然后 AddNumToList 方法是這樣定義的，
private void AddNumToList(object state, CancellationTokenSource cts)
{-
Console.WriteLine("This is the {0} thread,Current ThreadId={1}",
state,
Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
while (!cts.Token.IsCancellationRequested)
{
if (GetTheListCount() == ENDNUM)
{
cts.Cancel();
Console.WriteLine("Current Thread Id={0},Current Count={1}",
Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
GetTheListCount());
break;
}
var insertNum = GenerateInt32Num();
if (numList.Contains(insertNum))
{
insertNum = GenerateInt32Num();
}
AddToList(insertNum);
}
}
看起來是沒有什么問題的，運行了一下。得到了如下結果，
這應該是昨晚運行時得到的數(shù)據，當時也沒有多想，就貼了上去，回答了那位提問同學的問題。但是心里有一個疑惑，為什么會同時由 兩個 Thread 同時達到了該目標呢？
發(fā)現(xiàn)問題
今天早上到公司時，我又打開了這個 代碼，發(fā)現(xiàn)確實有點不對勁，于是就和我邊上 做 Go 語言開發(fā)的同學，問了問他，哪里出現(xiàn)了問題，他和我說：“你加了讀寫鎖了嗎?” 你這里有數(shù)據臟讀寫。心里面有了點眉目。
按照他說的，修改了一下AddToList 里面的邏輯，這時候，確實解決了上面的問題，
private void AddToList(int num)
{
rwls.EnterReadLock();
if (numList.Count == ENDNUM)
return;
rwls.ExitReadLock();
rwls.EnterWriteLock();
numList.Add(num);
rwls.ExitWriteLock();
}
得到的結果如下：
完整的代碼如下所示：
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
namespace CSharpFundamental
{
class MultipleThreadCompete
{
List<int> numList = new List<int>();
Random random = new Random();
CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
private const int ENDNUM = 1000000;
ReaderWriterLockSlim rwls = new ReaderWriterLockSlim();
internal void DoTheCompeteSecond()
{
Stopwatch sw = new Stopwatch();
sw.Start();
Task[] tasks = new Task[100];
for (int i = 0; i < 100; ++i)
{
int num = i;
tasks[i] = Task.Run(() => AddNumToList(num, cts), cts.Token);
}
Task.WaitAny(tasks);
Console.WriteLine("ExecuteTime={0}", sw.ElapsedMilliseconds / 1000);
}
private int GetTheListCount()
{
return numList.Count;
}
private void AddToList(int num)
{
rwls.EnterReadLock();
if (numList.Count == ENDNUM)
return;
rwls.ExitReadLock();
rwls.EnterWriteLock();
numList.Add(num);
rwls.ExitWriteLock();
}
private void AddNumToList(object state, CancellationTokenSource cts)
{
Console.WriteLine("This is the {0} thread,Current ThreadId={1}",
state,
Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
while (!cts.Token.IsCancellationRequested)
{
try
{
rwls.EnterReadLock();
if (numList.Count == ENDNUM)
{
cts.Cancel();
Console.WriteLine("Current Thread Id={0},Current Count={1}",
Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
GetTheListCount());
break;
}
}
finally
{
rwls.ExitReadLock();
}
var insertNum = GenerateInt32Num();
if (numList.Contains(insertNum))
{
insertNum = GenerateInt32Num();
}
AddToList(insertNum);
}
}
private int GenerateInt32Num()
{
return random.Next(1, ENDNUM);
}
}
}
這時候，那位 Go 語言的同學和我說，我們試試 1000w 的數(shù)據插入，看看需要多少時間？于是我讓他用 Go 語言實現(xiàn)了一下上面的邏輯，1000w數(shù)據用了 三分鐘，我讓他看看總共生成了多少隨機數(shù)，他查看了一下生成了 1億4千多萬的數(shù)據。
最開始我用上面的代碼來測，發(fā)現(xiàn)我插入 1000w 的數(shù)據，CPU 到100% 而且花了挺長時間，程序根本沒反應，查看了一下我判斷重復的語句numList.Contains()
底層實現(xiàn)的代碼為:
[__DynamicallyInvokable]
public bool Contains(T item)
{
if ((object) item == null)
{
for (int index = 0; index < this._size; ++index)
{
if ((object) this._items[index] == null)
return true;
}
return false;
}
EqualityComparer<T> equalityComparer = EqualityComparer<T>.Default;
for (int index = 0; index < this._size; ++index)
{
if (equalityComparer.Equals(this._items[index], item))
return true;
}
return false;
}
可想而知，如果數(shù)據量很大的話，這個循環(huán)不就 及其緩慢嗎？
我于是請教了那位 GO 的同學，判斷重復的邏輯用什么來實現(xiàn)的，他和我說了一個位圖 bitmap 的概念，
我用其重寫了一下判斷重復的邏輯，代碼如下：
int[] bitmap = new int[MAX_SIZE]； var index = num % TOTAL_NUM; bitMap[index] = 1; return bitMap[num] == 1;
在添加到 List 的時候，順便插入到 bitmap 中，判斷重復只需要根據當前元素的位置是否 等于 1 即可，
我修改代碼后，跑了一下 1000w 的數(shù)據用來 3000+ ms。
這時候，引起了他的極度懷疑，一向以高性能并發(fā) 著稱的 Go 速度竟然這么慢嗎？他一度懷疑我的邏輯有問題。
下午結束了一個階段的工作后，我又拾起了我上午寫的代碼，果不其然，發(fā)現(xiàn)了邏輯錯誤：
如下：
var insertNum = GenerateInt32Num();
if (numList.Contains(insertNum))
{
insertNum = GenerateInt32Num();
}
生成隨機數(shù)這里，這里有個大問題，就是其實只判斷了一次，導致速度那么快，正確的寫法應該是
while (ContainsNum(currentNum))
{
currentNum = GenerateInt32Num();
}
private int GenerateInt32Num()
{
var num = random.Next(0, TOTAL_NUM);
//Console.WriteLine(num);
return num;
}
最后的代碼如下：
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
namespace CSharpFundamental
{
class MultipleThreadCompete
{
List<int> numList = new List<int>();
Random random = new Random();
CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();
private const int TOTAL_NUM = 1000000;
private const int CURRENT_THREAD_COUNT = 35;
ReaderWriterLockSlim rwls = new ReaderWriterLockSlim();
int[] bitMap = new int[TOTAL_NUM];
internal void DoTheCompete()
{
//ThreadPool.SetMinThreads(CURRENT_THREAD_COUNT, CURRENT_THREAD_COUNT);
Stopwatch sw = new Stopwatch();
sw.Start();
Task[] tasks = new Task[CURRENT_THREAD_COUNT];
for (int i = 0; i < CURRENT_THREAD_COUNT; ++i)
{
int num = i;
tasks[i] = Task.Run(() => ExecuteTheTask(num, cts), cts.Token);
}
Task.WaitAny(tasks);
Console.WriteLine("ExecuteTime={0}", sw.ElapsedMilliseconds);
}
private int GetTheListCount()
{
return numList.Count;
}
private void AddToList(int num)
{
if (numList.Count == TOTAL_NUM)
return;
numList.Add(num);
var index = num % TOTAL_NUM;
bitMap[index] = 1;
}
private void ExecuteTheTask(object state, CancellationTokenSource cts)
{
Console.WriteLine("This is the {0} thread,Current ThreadId={1}",
state,
Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
while (!cts.Token.IsCancellationRequested)
{
try
{
rwls.EnterReadLock();
if (numList.Count == TOTAL_NUM)
{
cts.Cancel();
Console.WriteLine("Current Thread Id={0},Current Count={1}",
Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,
GetTheListCount());
break;
}
}
finally
{
rwls.ExitReadLock();
}
var currentNum = GenerateInt32Num();
while (ContainsNum(currentNum))
{
currentNum = GenerateInt32Num();
}
rwls.EnterWriteLock();
AddToList(currentNum);
rwls.ExitWriteLock();
}
}
private int GenerateInt32Num()
{
var num = random.Next(0, TOTAL_NUM);
//Console.WriteLine(num);
return num;
}
private bool ContainsNum(int num)
{
rwls.EnterReadLock();
var contains = bitMap[num] == 1;
rwls.ExitReadLock();
return contains;
}
}
}
結果如下：
但是這個代碼執(zhí)行 1000w的數(shù)據需要好久。 這個問題繼續(xù)研究。
源碼地址：https://github.com/doublnt/dotnetcore/tree/master/CSharpFundamental
總結
以上就是這篇文章的全部內容了，希望本文的內容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，謝謝大家對腳本之家的支持。
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