C#多線程系列之讀寫鎖

更新時(shí)間：2022年02月13日 17:13:58 作者：癡者工良

本文詳細(xì)講解了C#多線程的讀寫鎖，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)。對(duì)大家的學(xué)習(xí)或工作具有一定的參考借鑒價(jià)值，需要的朋友可以參考下

本篇的內(nèi)容主要是介紹 ReaderWriterLockSlim 類，來實(shí)現(xiàn)多線程下的讀寫分離。

ReaderWriterLockSlim

ReaderWriterLock 類：定義支持單個(gè)寫線程和多個(gè)讀線程的鎖。

ReaderWriterLockSlim 類：表示用于管理資源訪問的鎖定狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)多線程讀取或進(jìn)行獨(dú)占式寫入訪問。

兩者的 API 十分接近，而且 ReaderWriterLockSlim 相對(duì) ReaderWriterLock 來說更加安全。因此本文主要講解 ReaderWriterLockSlim 。

兩者都是實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程可同時(shí)讀取、只允許一個(gè)線程寫入的類。

ReaderWriterLockSlim

老規(guī)矩，先大概了解一下 ReaderWriterLockSlim 常用的方法。

常用方法

方法	說明
EnterReadLock()	嘗試進(jìn)入讀取模式鎖定狀態(tài)。
EnterUpgradeableReadLock()	嘗試進(jìn)入可升級(jí)模式鎖定狀態(tài)。
EnterWriteLock()	嘗試進(jìn)入寫入模式鎖定狀態(tài)。
ExitReadLock()	減少讀取模式的遞歸計(jì)數(shù)，并在生成的計(jì)數(shù)為 0（零）時(shí)退出讀取模式。
ExitUpgradeableReadLock()	減少可升級(jí)模式的遞歸計(jì)數(shù)，并在生成的計(jì)數(shù)為 0（零）時(shí)退出可升級(jí)模式。
ExitWriteLock()	減少寫入模式的遞歸計(jì)數(shù)，并在生成的計(jì)數(shù)為 0（零）時(shí)退出寫入模式。
TryEnterReadLock(Int32)	嘗試進(jìn)入讀取模式鎖定狀態(tài)，可以選擇整數(shù)超時(shí)時(shí)間。
TryEnterReadLock(TimeSpan)	嘗試進(jìn)入讀取模式鎖定狀態(tài)，可以選擇超時(shí)時(shí)間。
TryEnterUpgradeableReadLock(Int32)	嘗試進(jìn)入可升級(jí)模式鎖定狀態(tài)，可以選擇超時(shí)時(shí)間。
TryEnterUpgradeableReadLock(TimeSpan)	嘗試進(jìn)入可升級(jí)模式鎖定狀態(tài)，可以選擇超時(shí)時(shí)間。
TryEnterWriteLock(Int32)	嘗試進(jìn)入寫入模式鎖定狀態(tài)，可以選擇超時(shí)時(shí)間。
TryEnterWriteLock(TimeSpan)	嘗試進(jìn)入寫入模式鎖定狀態(tài)，可以選擇超時(shí)時(shí)間。

ReaderWriterLockSlim 的讀、寫入鎖模板如下：

        private static ReaderWriterLockSlim toolLock = new ReaderWriterLockSlim();

		// 讀
        private T Read()
        {

            try
            {
                toolLock.EnterReadLock();           // 獲取讀取鎖
                return obj;
            }
            catch { }
            finally
            {
                toolLock.ExitReadLock();            // 釋放讀取鎖
            }
            return default;
        }

        // 寫
        public void Write(int key, int value)
        {
            try
            {
                toolLock.EnterUpgradeableReadLock();

                try
                {
                    toolLock.EnterWriteLock();
                    /*
                     * 
                    */
                }
                catch
                {

                }
                finally
                {
                    toolLock.ExitWriteLock();
                }
            }
            catch { }
            finally
            {
                toolLock.ExitUpgradeableReadLock();
            }
        }

訂單系統(tǒng)示例

這里來模擬一個(gè)簡(jiǎn)單粗糙的訂單系統(tǒng)。

開始編寫代碼前，先來了解一些方法的具體使用。

EnterReadLock() / TryEnterReadLock 和 ExitReadLock() 成對(duì)出現(xiàn)。

EnterWriteLock() / TryEnterWriteLock() 和 ExitWriteLock() 成對(duì)出現(xiàn)。

EnterUpgradeableReadLock() 進(jìn)入可升級(jí)的讀模式鎖定狀態(tài)。

EnterReadLock() 使用 EnterUpgradeableReadLock() 進(jìn)入升級(jí)狀態(tài)，在恰當(dāng)時(shí)間點(diǎn) 通過 EnterWriteLock() 進(jìn)入寫模式。（也可以倒過來）

定義三個(gè)變量：

ReaderWriterLockSlim 多線程讀寫鎖；

MaxId 當(dāng)前訂單 Id 的最大值；

orders 訂單表；

        private static ReaderWriterLockSlim tool = new ReaderWriterLockSlim();   // 讀寫鎖

        private static int MaxId = 1;
        public static List<DoWorkModel> orders = new List<DoWorkModel>();       // 訂單表

        // 訂單模型
        public class DoWorkModel
        {
            public int Id { get; set; }     // 訂單號(hào)
            public string UserName { get; set; }    // 客戶名稱
            public DateTime DateTime { get; set; }  // 創(chuàng)建時(shí)間
        }

然后實(shí)現(xiàn)查詢和創(chuàng)建訂單的兩個(gè)方法。

分頁查詢訂單：

在讀取前使用 EnterReadLock() 獲取鎖；

讀取完畢后，使用 ExitReadLock() 釋放鎖。

這樣能夠在多線程環(huán)境下保證每次讀取都是最新的值。

        // 分頁查詢訂單
        private static DoWorkModel[] DoSelect(int pageNo, int pageSize)
        {

            try
            {
                DoWorkModel[] doWorks;
                tool.EnterReadLock();           // 獲取讀取鎖
                doWorks = orders.Skip((pageNo - 1) * pageSize).Take(pageSize).ToArray();
                return doWorks;
            }
            catch { }
            finally
            {
                tool.ExitReadLock();            // 釋放讀取鎖
            }
            return default;
        }

創(chuàng)建訂單：

創(chuàng)建訂單的信息十分簡(jiǎn)單，知道用戶名和創(chuàng)建時(shí)間就行。

訂單系統(tǒng)要保證的時(shí)每個(gè) Id 都是唯一的(實(shí)際情況應(yīng)該用Guid)，這里為了演示讀寫鎖，設(shè)置為數(shù)字。

在多線程環(huán)境下，我們不使用 Interlocked.Increment() ，而是直接使用 += 1，因?yàn)橛凶x寫鎖的存在，所以操作也是原則性的。

        // 創(chuàng)建訂單
        private static DoWorkModel DoCreate(string userName, DateTime time)
        {
            try
            {
                tool.EnterUpgradeableReadLock();        // 升級(jí)
                try
                {
                    tool.EnterWriteLock();              // 獲取寫入鎖

                    // 寫入訂單
                    MaxId += 1;                         // Interlocked.Increment(ref MaxId);

                    DoWorkModel model = new DoWorkModel
                    {
                        Id = MaxId,
                        UserName = userName,
                        DateTime = time
                    };
                    orders.Add(model);
                    return model;
                }
                catch { }
                finally
                {
                    tool.ExitWriteLock();               // 釋放寫入鎖
                }
            }
            catch { }
            finally
            {
                tool.ExitUpgradeableReadLock();         // 降級(jí)
            }
            return default;
        }

Main 方法中：

開 5 個(gè)線程，不斷地讀，開 2 個(gè)線程不斷地創(chuàng)建訂單。線程創(chuàng)建訂單時(shí)是沒有設(shè)置 Thread.Sleep() 的，因此運(yùn)行速度十分快。

Main 方法里面的代碼沒有什么意義。

        static void Main(string[] args)
        {
            // 5個(gè)線程讀
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                new Thread(() =>
                {
                    while (true)
                    {
                        var result = DoSelect(1, MaxId);
                        if (result is null)
                        {
                            Console.WriteLine("獲取失敗");
                            continue;
                        }
                        foreach (var item in result)
                        {
                            Console.Write($"{item.Id}|");
                        }
                        Console.WriteLine("\n");
                        Thread.Sleep(1000);
                    }
                }).Start();
            }

            for (int i = 0; i < 2; i++)
            {
                new Thread(() =>
                {
                    while(true)
                    {
                        var result = DoCreate((new Random().Next(0, 100)).ToString(), DateTime.Now);      // 模擬生成訂單
                        if (result is null)
                            Console.WriteLine("創(chuàng)建失敗");
                        else Console.WriteLine("創(chuàng)建成功");
                    }

                }).Start();
            }
        }

在 ASP.NET Core 中，則可以利用讀寫鎖，解決多用戶同時(shí)發(fā)送 HTTP 請(qǐng)求帶來的數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫問題。

這里就不做示例了。

如果另一個(gè)線程發(fā)生問題，導(dǎo)致遲遲不能交出寫入鎖，那么可能會(huì)導(dǎo)致其它線程無限等待。

那么可以使用 TryEnterWriteLock() 并且設(shè)置等待時(shí)間，避免阻塞時(shí)間過長(zhǎng)。

bool isGet = tool.TryEnterWriteLock(500);

并發(fā)字典寫示例

因?yàn)槔碚摰臇|西，筆者這里不會(huì)說太多，主要就是先掌握一些 API(方法、屬性) 的使用，然后簡(jiǎn)單寫出示例，后面再慢慢深入了解底層原理。

這里來寫一個(gè)多線程共享使用字典(Dictionary)的使用示例。

增加兩個(gè)靜態(tài)變量：

        private static ReaderWriterLockSlim toolLock = new ReaderWriterLockSlim();
        private static Dictionary<int, int> dict = new Dictionary<int, int>();

實(shí)現(xiàn)一個(gè)寫操作：

        public static void Write(int key, int value)
        {
            try
            {
                // 升級(jí)狀態(tài)
                toolLock.EnterUpgradeableReadLock();
                // 讀，檢查是否存在
                if (dict.ContainsKey(key))
                    return;

                try
                {
                    // 進(jìn)入寫狀態(tài)
                    toolLock.EnterWriteLock();
                    dict.Add(key,value);
                }
                finally
                {
                    toolLock.ExitWriteLock();
                }
            }
            finally
            {
                toolLock.ExitUpgradeableReadLock();
            }
        }

上面沒有 catch { } 是為了更好觀察代碼，因?yàn)槭褂昧俗x寫鎖，理論上不應(yīng)該出現(xiàn)問題的。

模擬五個(gè)線程同時(shí)寫入字典，由于不是原子操作，所以 sum 的值有些時(shí)候會(huì)出現(xiàn)重復(fù)值。

原子操作請(qǐng)參考：http://www.dbjr.com.cn/article/237310.htm

        private static int sum = 0;
        public static void AddOne()
        {
            for (int i = 0; i < 100_0000; i++)
            {
                sum += 1;
                Write(sum,sum);
            }
        }
        static void Main(string[] args)
        {
            for (int i = 0; i < 5; i++)
                new Thread(() => { AddOne(); }).Start();
            Console.ReadKey();
        }

ReaderWriterLock

大多數(shù)情況下都是推薦 ReaderWriterLockSlim 的，而且兩者的使用方法十分接近。

例如 AcquireReaderLock 是獲取讀鎖，AcquireWriterLock 獲取寫鎖。使用對(duì)應(yīng)的方法即可替換 ReaderWriterLockSlim 中的示例。

這里就不對(duì) ReaderWriterLock 進(jìn)行贅述了。

ReaderWriterLock 的常用方法如下：

方法	說明
AcquireReaderLock(Int32)	使用一個(gè) Int32 超時(shí)值獲取讀線程鎖。
AcquireReaderLock(TimeSpan)	使用一個(gè) TimeSpan 超時(shí)值獲取讀線程鎖。
AcquireWriterLock(Int32)	使用一個(gè) Int32 超時(shí)值獲取寫線程鎖。
AcquireWriterLock(TimeSpan)	使用一個(gè) TimeSpan 超時(shí)值獲取寫線程鎖。
AnyWritersSince(Int32)	指示獲取序列號(hào)之后是否已將寫線程鎖授予某個(gè)線程。
DowngradeFromWriterLock(LockCookie)	將線程的鎖狀態(tài)還原為調(diào)用 UpgradeToWriterLock(Int32) 前的狀態(tài)。
ReleaseLock()	釋放鎖，不管線程獲取鎖的次數(shù)如何。
ReleaseReaderLock()	減少鎖計(jì)數(shù)。
ReleaseWriterLock()	減少寫線程鎖上的鎖計(jì)數(shù)。
RestoreLock(LockCookie)	將線程的鎖狀態(tài)還原為調(diào)用 ReleaseLock() 前的狀態(tài)。
UpgradeToWriterLock(Int32)	使用一個(gè) Int32 超時(shí)值將讀線程鎖升級(jí)為寫線程鎖。
UpgradeToWriterLock(TimeSpan)	使用一個(gè) `TimeSpan` 超時(shí)值將讀線程鎖升級(jí)為寫線程鎖。