C#线程同步（1）- 临界区＆Lock
文章原始出處?http://xxinside.blogbus.com/logs/46441956.html
預(yù)備知識(shí)：線程的相關(guān)概念和知識(shí)，有多線程編碼的初步經(jīng)驗(yàn)。
一個(gè)機(jī)會(huì)，索性把線程同步的問(wèn)題在C#里面的東西都粗略看了下。
第一印象，C#關(guān)于線程同步的東西好多，保持了C#一貫的大雜燴和四不象風(fēng)格(Java/Delphi)。臨界區(qū)跟Java差不多只不過(guò)關(guān)鍵字用lock替代了synchronized，然后又用Moniter的Wait/Pulse取代了Object的Wait/Notify，另外又搞出來(lái)幾個(gè)Event……讓人甚是不明了。不管那么多，一個(gè)一個(gè)來(lái)吧。
臨界區(qū)（Critical Section）
是一段在同一時(shí)候只被一個(gè)線程進(jìn)入/執(zhí)行的代碼。為啥要有這個(gè)東西？
Lock關(guān)鍵字
C#提供lock關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)，MSDN里給出的用法：
Object thisLock = new Object();
lock (thisLock)
{ ??
// Critical code section
}
lock實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)是通過(guò)“對(duì)象鎖”的方式，注意是“對(duì)象”，所以你只能鎖定一個(gè)引用類型而不能鎖定一個(gè)值類型。第一個(gè)執(zhí)行該代碼的線程，成功獲取對(duì)這個(gè)對(duì)象的鎖定，進(jìn)而進(jìn)入臨界區(qū)執(zhí)行代碼。而其它線程在進(jìn)入臨界區(qū)前也會(huì)請(qǐng)求該鎖，如果此時(shí)第一個(gè)線程沒(méi)有退出臨界區(qū)，對(duì)該對(duì)象的鎖定并沒(méi)有解除，那么當(dāng)前線程會(huì)被阻塞，等待對(duì)象被釋放。
既然如此，在使用lock時(shí)，要注意不同線程是否使用同一個(gè)“鎖”作為lock的對(duì)象。現(xiàn)在回頭來(lái)看MSDN的這段代碼似乎很容易讓人誤解，容易讓人聯(lián)想到這段代碼是在某個(gè)方法中存在，以為thisLock是一個(gè)局部變量，而局部變量的生命周期是在這個(gè)方法內(nèi)部，所以當(dāng)不同線程調(diào)用這個(gè)方法的時(shí)候，他們分別請(qǐng)求了不同的局部變量作為鎖，那么他們都可以分別進(jìn)入臨界區(qū)執(zhí)行代碼。因此在MSDN隨后真正的示例中，thisLock實(shí)際上是一個(gè)private的類成員變量：
using System; using System.Threading;
class Account { ???
private Object thisLock = new Object();
??? int balance;
??? Random r = new Random();
??? public Account(int initial) ???
{ ???????
balance = initial;??
}
? int Withdraw(int amount)
?{
??????? // This condition will never be true unless the lock statement ?
?????? // is commented out: ???????
if (balance < 0)???????
?{ ???????????
throw new Exception("Negative Balance"); ???????
}
??????? // Comment out the next line to see the effect of leaving out?
??????? // the lock keyword: ??
????? lock(thisLock) ??????
? { ???????????
if (balance >= amount) ?????
?????? { ???????????????
Console.WriteLine("Balance before Withdrawal :? " + balance); ???????
Console.WriteLine("Amount to Withdraw??????? : -" + amount); ?
?balance = balance - amount;
?Console.WriteLine("Balance after Withdrawal? :? " + balance); ?
??? return amount; ?
???????} ???????????
else ???????????
{ ???????????????
return 0; // transaction rejected??
?}
?}
?}
??? public void DoTransactions() ???
{ ?????
?? for (int i = 0; i < 100; i++)
??????? {
??????????? Withdraw(r.Next(1, 100));
??????? }
??? }
}
class Test
{ ??
? static void Main()
??? { ???????
????? Thread[] threads = new Thread[10]; ?
?????? Account acc = new Account(1000);
??????? for (int i = 0; i < 10; i++)
??????? { ????????
??? Thread t = new Thread(new ThreadStart(acc.DoTransactions)); ??????
???? ????? threads[i] = t;
??????? } ??????
???? ?for (int i = 0; i < 10; i++)
??????? { ???????????
??????????? threads[i].Start();
??????? } ??
? }
}
這個(gè)例子中，Account對(duì)象只有一個(gè)，所以臨界區(qū)所請(qǐng)求的“鎖”是唯一的，因此用類的成員變量是可以實(shí)現(xiàn)互斥意圖的，其實(shí)用大家通常喜歡的lock(this)也未嘗不可，也即請(qǐng)求這個(gè)Account實(shí)例本身作為鎖。但是如果在某種情況你的類實(shí)例并不唯一或者一個(gè)類的幾個(gè)方法之間都必須要互斥，那么就要小心了。必須牢記一點(diǎn)，所有因?yàn)橥换コ赓Y源而需要互斥的操作，必須請(qǐng)求“同一把鎖”才有效。
假設(shè)這個(gè)Account類并不只有一個(gè)Withdraw方法修改balance，而是用Withdraw()來(lái)特定執(zhí)行取款操作，另有一個(gè)Deposit()方法專門執(zhí)行存款操作。很顯然這兩個(gè)方法必須是互斥執(zhí)行的，所以這兩個(gè)方法中所用到的鎖也必須一致；不能一個(gè)用thisLock，另一個(gè)重新用一個(gè)private Object thisLock1 = new Object()。再進(jìn)一步，其實(shí)這個(gè)操作場(chǎng)景下各個(gè)互斥區(qū)存在的目的是因?yàn)橛小癇alance”這個(gè)互斥資源，所有有關(guān)Balance的地方應(yīng)該都是互斥的（如果你不介意讀取操作讀到的是臟數(shù)據(jù)的話，當(dāng)然也可以不用）。
題外話： 這么看來(lái)其實(shí)用Balance本身作為鎖也許更為符合“邏輯”，lock住需要互斥的資源本身不是更好理解么？不過(guò)這里Balance是一個(gè)值類型，你并不能直接對(duì)它lock（你可能需要用到volatile關(guān)鍵字，它能在單CPU的情況下確保只有一個(gè)線程修改一個(gè)變量）。
Lock使用的建議
關(guān)于使用Lock微軟給出的一些建議。你能夠在MSDN上找到這么一段話：
通常，應(yīng)避免鎖定 public 類型，否則實(shí)例將超出代碼的控制范圍。常見(jiàn)的結(jié)構(gòu) lock (this)、lock (typeof (MyType)) 和 lock ("myLock") 違反此準(zhǔn)則： 1.如果實(shí)例可以被公共訪問(wèn)，將出現(xiàn) lock (this) 問(wèn)題。 2.如果 MyType 可以被公共訪問(wèn)，將出現(xiàn) lock (typeof (MyType)) 問(wèn)題。 3.由于進(jìn)程中使用同一字符串的任何其他代碼將共享同一個(gè)鎖，所以出現(xiàn) lock("myLock") 問(wèn)題。? 4.最佳做法是定義 private 對(duì)象來(lái)鎖定, 或 private static 對(duì)象變量來(lái)保護(hù)所有實(shí)例所共有的數(shù)據(jù)。
lock(this)的問(wèn)題我是這么理解：
MyType的問(wèn)題跟lock(this)差不多理解，不過(guò)比lock(this)更嚴(yán)重。因?yàn)長(zhǎng)ock(typeof(MyType))鎖定住的對(duì)象范圍更為廣泛，由于一個(gè)類的所有實(shí)例都只有一個(gè)類對(duì)象（就是擁有Static成員的那個(gè)對(duì)象實(shí)例），鎖定它就鎖定了該對(duì)象的所有實(shí)例。同時(shí)lock(typeof(MyType))是個(gè)很緩慢的過(guò)程，并且類中的其他線程、甚至在同一個(gè)應(yīng)用程序域中運(yùn)行的其他程序都可以訪問(wèn)該類型對(duì)象，因此，它們都有可能鎖定類對(duì)象，完全阻止你代碼的執(zhí)行，導(dǎo)致你自己代碼的掛起或者死鎖。
至于lock("myLock")，是因?yàn)樵?NET中字符串會(huì)被暫時(shí)存放。如果兩個(gè)變量的字符串內(nèi)容相同的話，.NET會(huì)把暫存的字符串對(duì)象分配給該變量。所以如果有兩個(gè)地方都在使用lock(“my lock”)的話，它們實(shí)際鎖住的是同一個(gè)對(duì)象。
.NET集合類對(duì)lock的支持
在多線程環(huán)境中，常會(huì)碰到的互斥資源應(yīng)該就是一些容器/集合。因此.NET在一些集合類中（比如ArrayList,HashTable，Queue，Stack，包括新增的支持泛型的List）已經(jīng)提供了一個(gè)供lock使用的對(duì)象SyncRoot。
在.Net1.1中大多數(shù)集合類的SyncRoot屬性只有一行代碼:return this，這樣和lock(集合的當(dāng)前實(shí)例)是一樣的。不過(guò)ArrayList中的SyncRoot有所不同（這個(gè)并不是我反編譯的，我并沒(méi)有驗(yàn)證這個(gè)說(shuō)法）：
get
{?? ?
if(this._syncRoot==null)
?? { ???
? Interlocked.CompareExchange(ref this._syncRoot,newobject(),null);
? }
?? ? returnthis._syncRoot;?
}
題外話：
上面反編譯的ArrayList的代碼，引出了個(gè)Interlocked類，即互鎖操作，用以對(duì)某個(gè)內(nèi)存位置執(zhí)行的簡(jiǎn)單原子操作。舉例來(lái)說(shuō)在大多數(shù)計(jì)算機(jī)上，增加變量操作不是一個(gè)原子操作，需要執(zhí)行下列步驟：
線程可能會(huì)在執(zhí)行完前兩個(gè)步驟后被奪走CPU時(shí)間，然后由另一個(gè)線程執(zhí)行所有三個(gè)步驟。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線程重新再開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，它改寫實(shí)例變量中的值，造成第二個(gè)線程執(zhí)行增減操作的結(jié)果丟失。這根我們上面提到的銀行賬戶余額的例子是一個(gè)道理，不過(guò)是更微觀上的體現(xiàn)。我們使用該類提供了的Increment和Decrement方法就可以避免這個(gè)問(wèn)題。
另外，Interlocked類上提供了其它一些能保證對(duì)相關(guān)變量的操作是原子性的方法。如Exchange()可以保證指定變量的值交換操作的原子性，Read()保證在32位操作系統(tǒng)中對(duì)64位變量的原子讀取。而這里使用的CompareExchange方法組合了兩個(gè)操作：保證了比較和交換操作按原子操作執(zhí)行。此例中CompareExchange方法將當(dāng)前syncRoot和null做比較，如果相等，就用new object()替換SyncRoot。
在現(xiàn)代處理器中，Interlocked 類的方法經(jīng)常可以由單個(gè)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此它們的執(zhí)行性能非常高。雖然Interlocked沒(méi)有直接提供鎖定或者發(fā)送信號(hào)的能力，但是你可以用它編寫鎖和信號(hào)，從而編寫出高效的非阻止并發(fā)的應(yīng)用程序。但是這需要復(fù)雜的低級(jí)別編程能力，因此大多數(shù)情況下使用lock或其它簡(jiǎn)單鎖是更好的選擇。
?
?
?
看到這里是不是已經(jīng)想給微軟一耳光了？一邊教導(dǎo)大家不要用lock(this)，一邊竟然在基礎(chǔ)類庫(kù)中大量使用……呵呵，我只能說(shuō)據(jù)傳從.Net2.0開(kāi)始SyncRoot已經(jīng)是會(huì)返回一個(gè)單獨(dú)的類了，想來(lái)大約應(yīng)該跟ArrayList那種實(shí)現(xiàn)差不多，有興趣的可以反編譯驗(yàn)證下。
這里想說(shuō)，代碼是自己的寫的，最好減少自己代碼對(duì)外部環(huán)境的依賴，事實(shí)證明即便是.Net基礎(chǔ)庫(kù)也不是那么可靠。自己能想到的問(wèn)題，最好自己寫代碼去處理，需要鎖就自己聲明一個(gè)鎖；不再需要一個(gè)資源那么自己代碼去Dispose掉（如果是實(shí)現(xiàn)IDisposable接口的）……不要想著什么東西系統(tǒng)已經(jīng)幫你做了。你永遠(yuǎn)無(wú)法保證你的類將會(huì)在什么環(huán)境下被使用，你也無(wú)法預(yù)見(jiàn)到下一版的Framework是否偷偷改變了實(shí)現(xiàn)。當(dāng)你代碼莫名其妙不Work的時(shí)候，你是很難找出由這些問(wèn)題引發(fā)的麻煩。只有你代碼足夠的獨(dú)立（這里沒(méi)有探討代碼耦合度的問(wèn)題），才能保證它足夠的健壯；別人代碼的修改（哪怕是你看來(lái)“不當(dāng)”的修改），造成你的Code無(wú)法工作不是總有些可笑么（我還想說(shuō)“蒼蠅不叮無(wú)縫的蛋”“不要因?yàn)閯e人的錯(cuò)誤連累自己”）？
一些集合類中還有一個(gè)方法是和同步相關(guān)的：Synchronized，該方法返回一個(gè)集合的內(nèi)部類，該類是線程安全的，因?yàn)樗拇蟛糠址椒ǘ加胠ock來(lái)進(jìn)行了同步處理（你會(huì)不會(huì)想那么SyncRoot顯得多余？別急。）。比如，Add方法會(huì)類似于：
public override void Add(objectkey,objectvalue)?? {?? ? lock(this._table.SyncRoot) ? { ??? this._table.Add(key,value); ? }?? }
不過(guò)即便是這個(gè)Synchronized集合，在對(duì)它進(jìn)行遍歷時(shí)，仍然不是一個(gè)線程安全的過(guò)程。當(dāng)你遍歷它時(shí)，其他線程仍可以修改該它（Add、Remove），可能會(huì)導(dǎo)致諸如下標(biāo)越界之類的異常；就算不出錯(cuò)，你也可能讀到臟數(shù)據(jù)。若要在遍歷過(guò)程中保證線程安全，還必須在整個(gè)遍歷過(guò)程中鎖定集合，我想這才是SynRoot存在的目的吧：
Queue myCollection = newQueue(); lock(myCollection.SyncRoot) { ? foreach(ObjectiteminmyCollection) ? {?? ??? //Insert your code here. ? }?? }
提供SynRoot是為了把這個(gè)已經(jīng)“線程安全”的集合內(nèi)部所使用的“鎖”暴露給你，讓你和它內(nèi)部的操作使用同一把鎖，這樣才能保證在遍歷過(guò)程互斥掉其它操作，保證你在遍歷的同時(shí)沒(méi)有可以修改。另一個(gè)可以替代的方法，是使用集合上提供的靜態(tài)ReadOnly()方法，來(lái)返回一個(gè)只讀的集合，并對(duì)它進(jìn)行遍歷，這個(gè)返回的只讀集合是線程安全的。
到這里似乎關(guān)于集合同步的方法似乎已經(jīng)比較清楚了，不過(guò)如果你是一個(gè)很迷信MS基礎(chǔ)類庫(kù)的人，那么這次恐怕又會(huì)失望了。微軟決定所有從那些自Framwork 3.0以來(lái)加入的支持泛型的集合中，如List，取消掉創(chuàng)建同步包裝器的能力，也就是它們不再有Synchronized，IsSynchronized也總會(huì)返回false；而ReadOnly這個(gè)靜態(tài)方法也變?yōu)槊麨锳sReadOnly的實(shí)例方法。作為替代，MS建議你仍然使用lock關(guān)鍵字來(lái)鎖定整個(gè)集合。
至于List之類的泛型集合SyncRoot是怎樣實(shí)現(xiàn)的，MSDN是這樣描述的“在 List<(Of <(T>)>) 的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)中，此屬性始終返回當(dāng)前實(shí)例。”，趕緊去吐血吧！
自己的SyncRoot
還是上面提過(guò)的老話，靠自己，以不變應(yīng)萬(wàn)變：
public class MySynchronizedList
{ ?
? private readonly object syncRoot = new object();
? private readonly List<intlist = new List<int>();
? public object SyncRoot ?
? { ???
????? ?get
?????? {
?????????? return this.syncRoot;
?????? }
? }
? public void Add(int i)
? { ???
???? ?lock(syncRoot)
??? ?{ ?????
??????? list.Add(i);
??? }
? }
? //...
}
自已寫一個(gè)類，用自己的syncRoot封裝一個(gè)線程安全的容器。
轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/zwq194/p/3358676.html
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的C#线程同步（1）- 临界区＆Lock的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
- 上一篇： 6-3
- 下一篇： JQuery选择器一般方法