也谈多线程同步

并发模式主要是为了处理以下两种类型的问题：

1） 共享资源：每次只能由一个操作访问共享资源，从而不至于产生死锁。

2） 操作顺序。在访问共享资源时，有时要保证多个访问操作按照特定的顺序进行。

 

以下为11种并发模式：

1.       单线程执行模式：最简单的解决方案，确保了每次最多只有一个线程访问一个资源。

2.       静态锁定顺序：死锁的解决方案。

3.       锁对象：通过锁定唯一对象，使一个操作可以独占访问多个资源。

4.       受保护的挂起：当线程已经独占访问一个资源，却发现因为某个原因而不能完成对该资源的操作。

5.       阻行：操作必须完成，或者根本不需要完成时。

6.       调度器：专门用于处理操作顺序有影响的情形。

7.       读/写锁：处理了某些、操作可以共享同一资源而另一些不可以的情形。

8.       生产/消费者：协调了生产资源的对象和消费资源的对象。

9.       双缓冲：在需要资源之前生产出资源。

10.   异步处理：callback回调技术

11.   Future：使调用操作的类避免必须知道该操作是同步的还是异步的。

 

1.单线程执行模式

又名临界区（Critical Section）。确保每次最多只有一个线程访问一个资源。

场景所需的一些要求

       一个类，拥有更新或者设置实例或类变量的方法和属性。

       这个方法，操作的外部资源每次只支持一个操作。

       这个方法可以被不同的线程并发调用

       不要求这个方法一经调用便立即执行，也就是说，可以有短暂的延时。

实现

将受保护方法的主体嵌入到lock语句块中，如：

        public void Do()
        {
            lock (this)
            {
                n += 1;
            }
        }

    目前，我们先锁住this这个对象。我们还可以锁定其它对象，下文会进行分析。

这里有一种锁分解（Lock Factoring）的技术，如果在lock块中调用另外的一个受保护的方法DoIt，而且这个DoIt方法仅在这一个地方被调用，那么可以把DoIt方法改写为不受保护的方法，这是可以的，而且也能保证同步——这是一种不安全的优化方法，因为DoIt以后会被修改为在其它地方也可以调用。

lock语句块，与下面语句块是等效的：

        public void Do()
        {
            try
            {
                Monitor.Enter(this);

                n += 1;
            }
            finally
            {
                Monitor.Exit(this);
            }
        }

     Monitor这个静态类，可以提供比lock语句块更细致的同步操作。在它的Enter和Exit方法之间，执行这些受保护的方法。Exit方法要放在finally块中，以表示无论操作是否成功，都要释放这个线程的资源。

当然这里也可以不使用try语句块，直接使用Monitor.TryEnter静态方法：

        public bool Do()
        {
            if (!Monitor.TryEnter(this))

                return false;

            n += 1;
 
            Monitor.Exit(this);
 
            return true;
        }

     Monitor.TryEnter还有另外两种重载方法，多了一个时间参数，表示为了尝试获取这个锁需要等待多长时间：

        public static bool TryEnter(object obj, int millisecondsTimeout);

        public static bool TryEnter(object obj, TimeSpan timeout);

此外，Monitor静态类还有Wait、Pulse、PulseAll三个静态方法，会在下面进行分析。

2. 静态锁定顺序

这个模式是为了解决死锁的。

死锁：某个操作在继续执行之前，必须等待另一个操作完成完成自己的任务。因为每个操作都在等待其他操作完成自己的任务，所以它们将永远等待下去，什么都不做。

    写一个最简单的死锁模拟程序——直接拿来1-2-3写过一篇文章里面的代码实例：

    class Program
    {
        static object mk1 = new object();
        static object mk2 = new object();

        static void foo1()
        {
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                Monitor.Enter(mk1);
                Console.WriteLine("i={0} 线程：""先占着mk1，再去mk2里办事。""", i);
                Monitor.Enter(mk2);
                Console.WriteLine("i={0} 线程：""进入了mk2，办事""", i);
                Monitor.Exit(mk2);
                Console.WriteLine("i={0} 线程：""办完事了，离开mk2""", i);
                Monitor.Exit(mk1);
                Console.WriteLine("i={0} 线程：""办完事了，离开mk1""", i);
            }
        }
        static void foo2()
        {
            for (int j = 0; j < 100; j++)
            {
                Monitor.Enter(mk2);
                Console.WriteLine("j={0} 线程：""先占着mk2，再去mk1里办事。""", j);
                Monitor.Enter(mk1);
                Console.WriteLine("j={0} 线程：""进入了mk1，办事""", j);
                Monitor.Exit(mk1);
                Console.WriteLine("j={0} 线程：""办完事了，离开mk1""", j);
                Monitor.Exit(mk2);
                Console.WriteLine("j={0} 线程：""办完事了，离开mk2""", j);
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            new Thread(foo1).Start();
            new Thread(foo2).Start();
        }
    }

     可以看到，foo1方法，在锁定mk1的代码块中，又锁定了mk2；而foo2方法，则在锁定mk2的代码块中，又锁定了mk1。这种产生了互相等待，从而死锁。

       死锁，是人为造成的。为此，我们要避免写出上面的代码。之前介绍过“锁分解的技术”，不失为一种办法，从而减少了锁的数量；但是，如果不能减少锁，也就是说，要直接面对多重锁带来的死锁危机，那么就要使用静态锁定顺序这个同步技术。

静态锁定顺序，可以认为是对Monitor的Enter和Exit这两个代码块的封装。为此，建立泛型类MultiMonitor<T>：

    public class MultiMonitor<T> where T : IComparable
    {
        public static void Enter(ICollection objs)
        {
            T[] myArray = new T[objs.Count];
            objs.CopyTo(myArray, 0);
            Array.Sort(myArray);

            for (int i = 0; i < myArray.Length; i++)
            {
                Monitor.Enter(myArray[i]);
            }
        }

        public static void MyExit(ICollection objs)
        {
            foreach (Object obj in objs)
            {
                Monitor.Exit(obj);
            }
        }
    }

 

新的Enter方法，按照一个固定的顺序，依次锁定objs中的对象，如ABCD，从而永远不会发生死锁（不会有BA的锁定顺序）。

     当然可以重载Enter方法，允许自定义这个排序规则IComparer：

        public static void Enter(ICollection objs, IComparer comparer)
        {
            T[] myArray = new T[objs.Count];
            objs.CopyTo(myArray, 0);
            Array.Sort(myArray, comparer);

            for (int i = 0; i < myArray.Length; i++)
            {
                Monitor.Enter(myArray[i]);
            }
        }

当然，要注意尽量不要在不同的线程中使用不同的排序规则IComparer，因为如果T1线程使用了ABCD的顺序，此时T2线程使用了AC的顺序，这是没有问题的；但是T3线程使用了CA的顺序，就会与T1线程发生死锁了。

注：这个MultiMonitor<T>是一个很常用的小工具，大家可以将其嵌入到自己的程序中，进行同步操作控制。

3. 锁对象

这个同步方式，简单的说，就是创建并锁定一个新的无关对象，将受保护的方法放入这个锁定区域中。

        private Object s_lock = new Object();

        public void Foo()
        {
            lock (s_lock)
            {
                n += 1;
            }
        }

     注：如果受保护的方法是是静态，那么锁对象就也该是静态的。

 

示例1：双检锁技术，double-check locking，也就是为Singleton模式的实例创建添加锁，在lock语句块的前后要判断两次对象的存在与否：

    public class Signleton
    {
        static Signleton mySignleton;

        static Object s_lock = new Object();

        private Signleton() { }

        public static Signleton Instance()
        {
            //判断单实例对象是否已经被创建
            if (mySignleton == null)
            {
                lock (s_lock)
                {
                    //锁定后再次判断——有没有另一个线程在创建它
                    if (mySignleton == null)
                        mySignleton = new Signleton();
                }
            }

            return mySignleton;
        }
    }

 

示例2：事件与线程安全

同步指导方针指出：方法永远不要在类型对象上加锁，否则这个锁将对所有代码公开（从而任何人都可以写代码锁住这个对象，导致死锁）。

对于方法同步，我们可以对方法其应用[MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]特性。

    [MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]
    public void Method1()

       但是，对于事件中的add和remove，却无法加上这个特性，所以要使用锁对象的技术。

在事件的add和remove上加锁，从而确保每次只有一个add或remove可以执行，以免委托对象的链表被破坏：

        public readonly Object m_lock = new Object();

        private EventHandler<NewEventArgs> m_NewEvent;

        public event EventHandler<NewEventArgs> NewEvent
        {
            add
            {
                lock (m_lock)
                {
                    m_NewEvent += value;
                }
            }
            remove
            {
                lock (m_lock)
                {
                    m_NewEvent -= value;
                }
            }
        }

 

4.受保护的挂起

如果存在某个条件，它阻止方法完成它应该执行的事情。在这一条件消失之前，将一直挂起该方法。

       这种同步方式的实现，需要使用到Monitor类的Wait和Pulse方法。

    public class Widget
    {
        private SomeDataClass myData;
 
        public void Foo()
        {
            lock (myData)
            {
                while (!myData.IsOK)
                {
                    Monitor.Wait(myData);
                }

                //do something
            }
        }

        public void Bar(int x)
        {
            lock (myData)
            { 
                //这里有一些代码，使myData的IsOK属性改为true

                Monitor.Pulse(myData);
            }
        }
    }

Foo方法的逻辑是：只要myData的IsOK属性不为true，就一直挂起而不会跳出while循环，线程会一直处于等待状态：

       Monitor.Wait(myData);

那么接下来的代码段就不会执行。

Bar方法的逻辑是：将myData的IsOK属性改为true，也就是条件不再满足，这时不再阻止，也就是释放这个锁：

     Monitor.Pulse(myData);

 

下面介绍一个最典型的例子：Queue。

Queue这个数据结构，是先进先出的。

 

(未完待续)