詳解c# 線程同步
一、線程同步概述
前面的文章都是講創(chuàng)建多線程來實現(xiàn)讓我們能夠更好的響應(yīng)應(yīng)用程序,然而當(dāng)我們創(chuàng)建了多個線程時,就存在多個線程同時訪問一個共享的資源的情況,在這種情況下,就需要我們用到線程同步,線程同步可以防止數(shù)據(jù)(共享資源)的損壞。
然而我們在設(shè)計應(yīng)用程序還是要盡量避免使用線程同步, 因為線程同步會產(chǎn)生一些問題:
1. 它的使用比較繁瑣。因為我們要用額外的代碼把多個線程同時訪問的數(shù)據(jù)包圍起來,并獲取和釋放一個線程同步鎖,如果我們在一個代碼塊忘記獲取鎖,就有可能造成數(shù)據(jù)損壞。
2. 使用線程同步會影響性能,獲取和釋放一個鎖肯定是需要時間的吧,因為我們在決定哪個線程先獲取鎖時候, CPU必須進(jìn)行協(xié)調(diào),進(jìn)行這些額外的工作就會對性能造成影響
3. 因為線程同步一次只允許一個線程訪問資源,這樣就會阻塞線程,阻塞線程會造成更多的線程被創(chuàng)建,這樣CPU就有可能要調(diào)度更多的線程,同樣也對性能造成了影響。
所以在實際的設(shè)計中還是要盡量避免使用線程同步,因此我們要避免使用一些共享數(shù)據(jù),例如靜態(tài)字段。
二、線程同步的使用
2.1 對于使用鎖性能的影響
上面已經(jīng)說過使用鎖將會對性能產(chǎn)生影響, 下面通過比較使用鎖和不使用鎖時消耗的時間來說明這點
using System; using System.Diagnostics; using System.Threading; namespace InterlockedSample { // 比較使用鎖和不使用鎖鎖消耗的時間 // 通過時間來說明使用鎖性能的影響 class Program { static void Main(string[] args) { int x = 0; // 迭代次數(shù)為500萬 const int iterationNumber = 5000000; // 不采用鎖的情況 // StartNew方法 對新的 Stopwatch 實例進(jìn)行初始化,將運(yùn)行時間屬性設(shè)置為零,然后開始測量運(yùn)行時間。 Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew(); for (int i = 0; i < iterationNumber; i++) { x++; } Console.WriteLine("Use the all time is :{0} ms", sw.ElapsedMilliseconds); sw.Restart(); // 使用鎖的情況 for (int i = 0; i < iterationNumber; i++) { Interlocked.Increment(ref x); } Console.WriteLine("Use the all time is :{0} ms", sw.ElapsedMilliseconds); Console.Read(); } } }
運(yùn)行結(jié)果(這是在我電腦上運(yùn)行的結(jié)果)從結(jié)果中可以看出加了鎖的運(yùn)行速度慢了好多(慢了11倍 197/18 ):
2.2 Interlocked實現(xiàn)線程同步
Interlocked類提供了為多個線程共享的變量提供原子操作,當(dāng)我們在多線程中對一個整數(shù)進(jìn)行遞增操作時,就需要實現(xiàn)線程同步。
因為增加變量操作(++運(yùn)算符)不是一個原子操作,需要執(zhí)行下列步驟:
1)將實例變量中的值加載到寄存器中。
2)增加或減少該值。
3)在實例變量中存儲該值。
如果不使用 Interlocked.Increment方法,線程可能會在執(zhí)行完前兩個步驟后被搶先。然后由另一個線程執(zhí)行所有三個步驟,此時第一個線程還沒有把變量的值存儲到實例變量中去,而另一個線程就可以把實例變量加載到寄存器里面讀取了(此時加載的值并沒有改變),所以會導(dǎo)致出現(xiàn)的結(jié)果不是我們預(yù)期的,相信這樣的解釋可以幫助大家更好的理解Interlocked.Increment方法和 原子性操作,
下面通過一段代碼來演示下加鎖和不加鎖的區(qū)別(開始講過加鎖會對性能產(chǎn)生影響,這里將介紹加鎖來解決線程同步的問題,得到我們預(yù)期的結(jié)果):
不加鎖的情況:
class Program { static void Main(string[] args) { for (int i = 0; i < 10; i++) { Thread testthread = new Thread(Add); testthread.Start(); } Console.Read(); } // 共享資源 public static int number = 1; public static void Add() { Thread.Sleep(1000); Console.WriteLine("the current value of number is:{0}", ++number); } }
運(yùn)行結(jié)果(不同電腦上可能運(yùn)行的結(jié)果和我的不一樣,但是都是得到不是預(yù)期的結(jié)果的):
為了解決這樣的問題,我們可以通過使用 Interlocked.Increment方法來實現(xiàn)原子的自增操作。
代碼很簡單,只需要把++number改成Interlocked.Increment(ref number)就可以得到我們預(yù)期的結(jié)果了,在這里代碼和運(yùn)行結(jié)果就不貼了。
總之Interlocked類中的方法都是執(zhí)行一次原子讀取以及寫入的操作的。
2.3 Monitor實現(xiàn)線程同步
對于上面那個情況也可以通過Monitor.Enter和Monitor.Exit方法來實現(xiàn)線程同步。C#中通過lock關(guān)鍵字來提供簡化的語法(lock可以理解為Monitor.Enter和Monitor.Exit方法的語法糖),代碼也很簡單:
using System; using System.Threading; namespace MonitorSample { class Program { static void Main(string[] args) { for (int i = 0; i < 10; i++) { Thread testthread = new Thread(Add); testthread.Start(); } Console.Read(); } // 共享資源 public static int number = 1; public static void Add() { Thread.Sleep(1000); //獲得排他鎖 Monitor.Enter(number); Console.WriteLine("the current value of number is:{0}", number++); // 釋放指定對象上的排他鎖。 Monitor.Exit(number); } } }
運(yùn)行結(jié)果當(dāng)然是我們所期望的:
在 Monitor類中還有其他幾個方法在這里也介紹,只是讓大家引起注意下,一個Wait方法,很明顯Wait方法的作用是:釋放某個對象上的鎖以便允許其他線程鎖定和訪問這個對象。第二個就是TryEnter方法,這個方法與Enter方法主要的區(qū)別在于是否阻塞當(dāng)前線程,當(dāng)一個對象通過Enter方法獲取鎖,而沒有執(zhí)行Exit方法釋放鎖,當(dāng)另一個線程想通過Enter獲得鎖時,此時該線程將會阻塞,直到另一個線程釋放鎖為止,而TryEnter不會阻塞線程。具體代碼就不不寫出來了。
2.4 ReaderWriterLock實現(xiàn)線程同步
如果我們需要對一個共享資源執(zhí)行多次讀取時,然而用前面所講的類實現(xiàn)的同步鎖都只允許一個線程允許,所有線程將阻塞,但是這種情況下肯本沒必要堵塞其他線程, 應(yīng)該讓它們并發(fā)的執(zhí)行,因為我們此時只是進(jìn)行讀取操作,此時通過ReaderWriterLock類可以很好的實現(xiàn)讀取并行。
演示代碼為:
using System; using System.Collections.Generic; using System.Threading; namespace ReaderWriterLockSample { class Program { public static List<int> lists = new List<int>(); // 創(chuàng)建一個對象 public static ReaderWriterLock readerwritelock = new ReaderWriterLock(); static void Main(string[] args) { //創(chuàng)建一個線程讀取數(shù)據(jù) Thread t1 = new Thread(Write); t1.Start(); // 創(chuàng)建10個線程讀取數(shù)據(jù) for (int i = 0; i < 10; i++) { Thread t = new Thread(Read); t.Start(); } Console.Read(); } // 寫入方法 public static void Write() { // 獲取寫入鎖,以10毫秒為超時。 readerwritelock.AcquireWriterLock(10); Random ran = new Random(); int count = ran.Next(1, 10); lists.Add(count); Console.WriteLine("Write the data is:" + count); // 釋放寫入鎖 readerwritelock.ReleaseWriterLock(); } // 讀取方法 public static void Read() { // 獲取讀取鎖 readerwritelock.AcquireReaderLock(10); foreach (int li in lists) { // 輸出讀取的數(shù)據(jù) Console.WriteLine(li); } // 釋放讀取鎖 readerwritelock.ReleaseReaderLock(); } } }
運(yùn)行結(jié)果:
三、總結(jié)
本文中主要介紹如何實現(xiàn)多線程同步的問題, 通過線程同步可以防止共享數(shù)據(jù)的損壞,但是由于獲取鎖的過程會有性能損失,所以在設(shè)計應(yīng)用過程中盡量減少線程同步的使用。本來還要介紹互斥(Mutex), 信號量(Semaphore), 事件構(gòu)造的, 由于篇幅的原因怕影響大家的閱讀,所以這剩下的內(nèi)容放在后面介紹的。
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