C#中的多线程 - 同步基础

C#中的多线程 - 同步基础

1同步概要

在第 1 部分：基础知识中，我们描述了如何在线程上启动任务、配置线程以及双向传递数据。同时也说明了局部变量对于线程来说是私有的，以及引用是如何在线程之间共享，允许其通过公共字段进行通信。

下一步是同步（synchronization）：为期望的结果协调线程的行为。当多个线程访问同一个数据时，同步尤其重要，但是这是一件非常容易搞砸的事情。

同步构造可以分为以下四类：

• 简单的阻塞方法
• 这些方法会使当前线程等待另一个线程结束或是自己等待一段时间。Sleep、Join与Task.Wait都是简单的阻塞方法。
• 锁构造
• 锁构造能够限制每次可以执行某些动作或是执行某段代码的线程数量。排它锁构造是最常见的，它每次只允许一个线程执行，从而可以使得参与竞争的线程在访问公共数据时不会彼此干扰。标准的排它锁构造是lock（Monitor.Enter/Monitor.Exit）、Mutex与 SpinLock。非排它锁构造是Semaphore、SemaphoreSlim以及读写锁。
• 信号构造
• 信号构造可以使一个线程暂停，直到接收到另一个线程的通知，避免了低效的轮询 。有两种经常使用的信号设施：事件等待句柄（event wait handle ）和Monitor类的Wait / Pluse方法。Framework 4.0 加入了CountdownEvent与Barrier类。
• 非阻塞同步构造
• 非阻塞同步构造通过调用处理器指令来保护对公共字段的访问。CLR 与 C# 提供了下列非阻塞构造：Thread.MemoryBarrier 、Thread.VolatileRead、Thread.VolatileWrite、volatile关键字以及Interlocked类。

阻塞这个概念对于前三类来说都非常重要，接下来我们简要的剖析下它。

1.1阻塞

当线程的执行由于某些原因被暂停，比如调用Sleep等待一段时间，或者通过Join或EndInvoke方法等待其它线程结束时，则认为此线程被阻塞（blocked）。被阻塞的线程会立即出让（yields）其处理器时间片，之后不再消耗处理器时间，直到阻塞条件被满足。可以通过线程的ThreadState属性来检查一个线程是否被阻塞：

bool blocked = (someThread.ThreadState & ThreadState.WaitSleepJoin) != 0;

 

（上面例子中线程状态可能在进行状态判断和依据状态进行操作之间发生改变，因此这段代码仅可用于调试诊断的场景。）

当一个线程被阻塞或是解除阻塞时，操作系统会进行上下文切换（context switch），这会带来几微秒的额外时间开销。

阻塞会在以下 4 种情况下解除（电源按钮可不能算╮(╯▽╰)╭）：

• 阻塞条件被满足
• 操作超时（如果指定了超时时间）
• 通过Thread.Interrupt中断
• 通过Thread.Abort中止

通过Suspend方法（已过时，不应该再使用）暂停线程的执行不被认为是阻塞。

1.2阻塞 vs 自旋

有时线程必须暂停，直到特定条件被满足。信号构造和锁构造可以通过在条件被满足前阻塞线程来实现。但是还有一种更为简单的方法：线程可以通过自旋（spinning）来等待条件被满足。例如：

while (!proceed);

 

一般来说，这会非常浪费处理器时间：因为对 CLR 和操作系统来说，这个线程正在执行重要的计算，就给它分配了相应的资源。

有时会组合使用阻塞与自旋：

while (!proceed) 

    Thread.Sleep (10);

 

尽管并不优雅，但是这比仅使用自旋更高效（一般来说）。然而这样也可能会出现问题，这是由proceed标识上的并发问题引起的。正确的使用和锁构造和信号构造可以避免这个问题。

自旋在等待的条件很快（大致几微秒）就能被满足的情况下更高效，因为它避免了上下文切换带来的额外开销。.NET Framework 提供了专门的方法和类型来辅助实现自旋，在第 5 部分会讲到。

1.3线程状态

可以通过线程的ThreadState属性来查询线程状态，它会返回一个ThreadState类型的按位方式组合的枚举值，其中包含了三“层”信息。然而大多数值都是冗余的、无用的或者过时不建议使用的。下图是其中一“层”信息：

下面的代码可以提取线程状态中最有用的 4 个值: Unstarted、Running、WaitSleepJoin和Stopped：

public static ThreadState SimpleThreadState (ThreadState ts){   return ts & (ThreadState.Unstarted |                ThreadState.WaitSleepJoin |                ThreadState.Stopped);}

 

ThreadState属性在进行调试诊断时有用，但不适合用来进行同步，因为线程状态可能在判断状态和依据状态进行操作之间发生改变。

2锁

排它锁用于确保同一时间只允许一个线程执行指定的代码段。主要的两个排它锁构造是lock和Mutex（互斥体）。其中lock更快，使用也更方便。而Mutex的优势是它可以跨进程的使用。

在这一节里，我们从介绍lock构造开始，然后介绍Mutex和信号量（semaphore）（用于非排它场景）。稍后在第 4 部分会介绍读写锁（reader / writer lock）。

Framework 4.0 加入了SpinLock结构体，可以用于高并发场景。

让我们从下边这个类开始：

class ThreadUnsafe{   static int _val1 = 1, _val2 = 1;   static void Go()   {     if (_val2 != 0) Console.WriteLine (_val1 / _val2);     _val2 = 0;   }}

 

这个类不是线程安全的：如果Go方法同时被两个线程调用，可能会产生除数为零错误，因为可能在一个线程刚好执行完if的判断语句但还没执行Console.WriteLine语句时，_val2就被另一个线程设置为零。

下边使用lock解决这个问题：

class ThreadSafe{   static readonly object _locker = new object();   static int _val1, _val2;   static void Go()   {     lock (_locker)     {       if (_val2 != 0) Console.WriteLine (_val1 / _val2);       _val2 = 0;     }   }}

 

同一时间只有一个线程可以锁定同步对象（这里指_locker），并且其它竞争锁的线程会被阻塞，直到锁被释放。如果有多个线程在竞争锁，它们会在一个“就绪队列（ready queue）”中排队，并且遵循先到先得的规则（需要说明的是，Windows 系统和 CLR 的差别可能导致这个队列在有时会不遵循这个规则）。因为一个线程的访问不能与另一个线程相重叠，排它锁有时也被这样描述：它强制对锁保护的内容进行顺序（serialized）访问。在这个例子中，我们保护的是Go方法的内部逻辑，还有_val1与_val2字段。

在竞争锁时被阻塞的线程，它的线程状态是WaitSleepJoin。在中断与中止中，我们会描述如何通过其它线程强制释放被阻塞的线程，这是一种可以用于结束线程的重型技术（译者注：这里指它们应该被作为在没有其它更为优雅的办法时的最后手段）。

锁构造比较Permalink

构造	用途	跨进程	开销*
lock （Monitor.Enter/Monitor.Exit）	确保同一时间只有一个线程可以访问资源或代码	-	20ns
Mutex			1000ns
SemaphoreSlim （Framework 4.0 中加入）	确保只有不超过指定数量的线程可以并发访问资源或代码	-	200ns
Semaphore			1000ns
ReaderWriterLockSlim （Framework 3.5 中加入）	允许多个读线程和一个写线程共存	-	40ns
ReaderWriterLock （已过时）		-	100ns

* 时间代表在同一线程上一次进行加锁和释放锁（假设没有阻塞）的开销，在 Intel Core i7 860 上测得。

2.1Monitor.Enter 与 Monitor.Exit

C# 的lock语句是一个语法糖，它其实就是使用了try / finally来调用Monitor.Enter与Monitor.Exit方法。下面是在之前示例中的Go方法内部所发生的事情（简化的版本）：

Monitor.Enter (_locker);try{   if (_val2 != 0) Console.WriteLine (_val1 / _val2);   _val2 = 0;}finally { Monitor.Exit (_locker); }

 

如果在同一个对象上没有先调用Monitor.Enter就调用Monitor.Exit会抛出一个异常。

lockTaken 重载

刚刚所描述的就是 C# 1.0、2.0 和 3.0 的编译器翻译lock语句产生的代码。

然而它有一个潜在的缺陷。考虑这样的情况：在Monitor.Enter的实现内部或者在Monitor.Enter与try中间有异常被抛出（可能是因为在线程上调用了Abort，或者有OutOfMemoryException异常被抛出），这时不一定能够获得锁。如果获得了锁，那么该锁就不会被释放，因为不可能执行到try / finally内，这会导致锁泄漏。

为了避免这种危险，CLR 4.0 的设计者为Monitor.Enter添加了下面的重载：

public static void Enter (object obj, ref bool lockTaken);

 

当（且仅当）Enter方法抛出异常，锁没有能够获得时，lockTaken为false。

下边是正确的使用方式（这就是 C# 4.0 对于lock语句的翻译）：

bool lockTaken = false;try{   Monitor.Enter (_locker, ref lockTaken);   // 你的代码...}finally { if (lockTaken) Monitor.Exit (_locker); }

 

TryEnter

Monitor还提供了一个TryEnter方法，允许以毫秒或是TimeSpan方式指定超时时间。如果获得了锁，该方法会返回true，而如果由于超时没有获得锁，则会返回false。TryEnter也可以以无参数的形式进行调用，这是对锁进行“测试”，如果不能立即获得锁就会立即返回false。

类似于Enter方法，该方法在 CLR 4.0 中也被重载来接受lockTaken参数。

2.2选择同步对象

对所有参与同步的线程可见的任何对象都可以被当作同步对象使用，但有一个硬性规定：同步对象必须为引用类型。同步对象一般是私有的（因为这有助于封装锁逻辑），并且一般是一个实例或静态字段。同步对象也可以就是其要保护的对象，如下面例子中的_list字段：

class ThreadSafe{   List <string> _list = new List <string>();   void Test()   {     lock (_list)     {       _list.Add ("Item 1");       // ...

 

一个只被用来加锁的字段（例如前面例子中的_locker）可以精确控制锁的作用域与粒度。对象自己（this），甚至是其类型都可以被当作同步对象来使用：

lock (this) { ... }// 或者：lock (typeof (Widget)) { ... }    // 保护对静态资源的访问

 

这种方式的缺点在于并没有对锁逻辑进行封装，从而很难避免死锁与过多的阻塞。同时类型上的锁也可能会跨越应用程序域（application domain）边界（在同一进程内）。

你也可以在被 lambda 表达式或匿名方法所捕获的局部变量上加锁。

锁在任何情况下都不会限制对同步对象本身的访问。换句话说，x.ToString()不会因为其它线程调用lock(x)而阻塞，两个线程都要调用lock(x)才能使阻塞发生。

2.3何时加锁

简单的原则是，需要在访问任意可写的共享字段（any writable shared field）时加锁。即使是最简单的操作，例如对一个字段的赋值操作，都必须考虑同步。在下面的类中，Increment与Assign方法都不是线程安全的：

class ThreadUnsafe{   static int _x;   static void Increment() { _x++; }   static void Assign()    { _x = 123; }}

 

以下是线程安全的版本：

class ThreadSafe{   static readonly object _locker = new object();   static int _x;   static void Increment() { lock (_locker) _x++; }   static void Assign()    { lock (_locker) _x = 123; }}

 

在非阻塞同步（nonblocking synchronization）中，我们会解释这种需求是如何产生的，以及在这些场景下内存屏障（memory barrier，内存栅栏，内存栅障）和Interlocked类如何提供替代方法进行锁定。

2.4锁与原子性

如果一组变量总是在相同的锁内进行读写，就可以称为原子的（atomically）读写。假定字段x与y总是在对locker对象的lock内进行读取与赋值：

lock (locker) { if (x != 0) y /= x; }

 

可以说x和y是被原子的访问的，因为上面的代码块无法被其它的线程分割或抢占。如果被其它线程分割或抢占，x和y就可能被别的线程修改导致计算结果无效。而现在 x和y总是在相同的排它锁中进行访问，因此不会出现除数为零的错误。

在lock锁内抛出异常将打破锁的原子性，考虑如下代码：

decimal _savingsBalance, _checkBalance;void Transfer (decimal amount){   lock (_locker)   {     _savingsBalance += amount;     _checkBalance -= amount + GetBankFee();   }}

 

如果GetBankFee()方法内抛出异常，银行可能就要损失钱财了。在这个例子中，我们可以通过更早的调用GetBankFee()来避免这个问题。对于更复杂情况，解决方案是在catch或finally中实现“回滚（rollback）”逻辑。

指令原子性是一个相似但不同的概念： 如果一条指令可以在 CPU 上不可分割地执行，那么它就是原子的。（见非阻塞同步）

2.5嵌套锁

线程可以用嵌套（重入）的方式重对相同的对象进行加锁：

lock (locker)   lock (locker)     lock (locker)     {        // ...    }

 

或者：

Monitor.Enter (locker); 

Monitor.Enter (locker); 

Monitor.Enter (locker);

Monitor.Exit (locker);

Monitor.Exit (locker);

Monitor.Exit (locker);

 

在这样的场景中，只有当最外层的lock语句退出或是执行了匹配数目的Monitor.Exit语句时，对象才会被解锁。

嵌套锁可以用于在锁中调用另一个方法（也使用了同一对象来锁定）：

static readonly object _locker = new object();

 

static void Main(){   lock (_locker)   {      AnotherMethod();      //  这里依然拥有锁，因为锁是可重入的  }}static void AnotherMethod(){

 

  lock (_locker) { Console.WriteLine ("Another method"); }}

 

线程只会在第一个（最外层）lock处阻塞。

2.6死锁

当两个线程等待的资源都被对方占用时，它们都无法执行，这就产生了死锁。演示死锁最简单的方法就是使用两个锁：

object locker1 = new object();object locker2 = new object();new Thread (() => {                     lock (locker1)                     {                       Thread.Sleep (1000);                       lock (locker2);      // 死锁                    }                   }).Start();lock (locker2){   Thread.Sleep (1000);   lock (locker1);                          // 死锁}

 

更复杂的死锁链可能由三个或更多的线程创建。

在标准环境下，CLR 不会像SQL Server一样自动检测和解决死锁。除非你指定了锁定的超时时间，否则死锁会造成参与的线程无限阻塞。（在SQL CLR 集成宿主环境中，死锁能够被自动检测，并在其中一个线程上抛出可捕获的异常。）

死锁是多线程中最难解决的问题之一，尤其是在有很多关联对象的时候。这个困难在根本上在于无法确定调用方（caller）已经拥有了哪些锁。

你可能会锁定类x中的私有字段a，而并不知道调用方（或者调用方的调用方）已经锁住了类y中的字段b。同时，另一个线程正在执行顺序相反的操作，这样就创建了死锁。讽刺的是，这个问题会由于（良好的）面向对象的设计模式而加剧，因为这类模式建立的调用链直到运行时才能确定。

流行的建议：“以一致的顺序对对象加锁以避免死锁”，尽管它对于我们最初的例子有帮助，但是很难应用到刚才所描述的场景。更好的策略是：如果发现在锁区域中的对其它类的方法调用最终会引用回当前对象，就应该小心，同时考虑是否真的需要对其它类的方法调用加锁（往往是需要的，但是有时也会有其它选择）。更多的依靠声明方式（declarative）与数据并行（data parallelism）、不可变类型（immutable types）与非阻塞同步构造（ nonblocking synchronization constructs），可以减少对锁的需要。

有另一种思路来帮助理解这个问题：当你在拥有锁的情况下访问其它类的代码，对于锁的封装就存在潜在的泄露。这不是 CLR 或 .NET Framework 的问题，而是因为锁本身的局限性。锁的问题在许多研究项目中被分析，包括软件事务内存（Software Transactional Memory）。

另一个死锁的场景是：如果已拥有一个锁，在调用Dispatcher.Invoke（在 WPF 程序中）或是Control.Invoke（在 Windows Forms 程序中）时，如果 UI 恰好要运行等待同一个锁的另一个方法，就会在这里发生死锁。这通常可以通过调用BeginInvoke而不是Invoke来简单的修复。或者，可以在调用Invoke之前释放锁，但是如果是调用方获得的锁，那么这种方法可能并不会起作用。我们在富客户端应用与线程亲和中来解释Invoke和BeginInvoke。

2.7性能

锁是非常快的，在一个 2010 时代的计算机上，没有竞争的情况下获取并释放锁一般只需 20 纳秒。如果存在竞争，产生的上下文切换会把开销增加到微秒的级别，并且线程被重新调度前可能还会等待更久的时间。如果需要锁定的时间很短，那么可以使用自旋锁（SpinLock）来避免上下文切换的开销。

如果获取锁后保持的时间太长而不释放，就会降低并发度，同时也会加大死锁的风险。

2.8互斥体（Mutex）

互斥体类似于 C# 的lock，不同在于它是可以跨越多个进程工作。换句话说，Mutex可以是机器范围（computer-wide）的，也可以是程序范围（application-wide）的。

没有竞争的情况下，获取并释放Mutex需要几微秒的时间，大约比lock慢 50 倍。

使用Mutex类时，可以调用WaitOne方法来加锁，调用ReleaseMutex方法来解锁。关闭或销毁Mutex会自动释放锁。与lock语句一样，Mutex只能被获得该锁的线程释放。

跨进程Mutex的一种常见的应用就是确保只运行一个程序实例。下面演示了这是如何实现的：

class OneAtATimePlease{   static void Main()   {     // 命名的 Mutex 是机器范围的，它的名称需要是唯一的    // 比如使用公司名+程序名，或者也可以用 URL    using (var mutex = new Mutex (false, "oreilly.com OneAtATimeDemo"))     {       // 可能其它程序实例正在关闭，所以可以等待几秒来让其它实例完成关闭       if (!mutex.WaitOne (TimeSpan.FromSeconds (3), false))       {         Console.WriteLine ("Another app instance is running. Bye!");         return;       }       RunProgram();     }   }   static void RunProgram()   {     Console.WriteLine ("Running. Press Enter to exit");     Console.ReadLine();   }}

 

如果在终端服务（Terminal Services）下运行，机器范围的Mutex默认仅对于运行在相同终端服务器会话的应用程序可见。要使其对所有终端服务器会话可见，需要在其名字前加上Global\。

2.9信号量（Semaphore）

信号量类似于一个夜总会：它具有一定的容量，并且有保安把守。一旦满员，就不允许其他人进入，这些人将在外面排队。当有一个人离开时，排在最前头的人便可以进入。这种构造最少需要两个参数：夜总会中当前的空位数以及夜总会的总容量。

容量为 1 的信号量与Mutex和lock类似，所不同的是信号量没有“所有者”，它是线程无关（thread-agnostic）的。任何线程都可以在调用Semaphore上的Release方法，而对于Mutex和lock，只有获得锁的线程才可以释放。

SemaphoreSlim是 Framework 4.0 加入的轻量级的信号量，功能与Semaphore相似，不同之处是它对于并行编程的低延迟需求做了优化。在传统的多线程方式中也有用，因为它支持在等待时指定取消标记 （cancellation token）。但它不能跨进程使用。

在Semaphore上调用WaitOne或Release会产生大概 1 微秒的开销，而SemaphoreSlim产生的开销约是其四分之一。

信号量在有限并发的需求中有用，它可以阻止过多的线程同时执行特定的代码段。在下面的例子中，五个线程尝试进入一个只允许三个线程进入的夜总会：

class TheClub{   static SemaphoreSlim _sem = new SemaphoreSlim (3);    // 容量为 3   static void Main()   {     for (int i = 1; i <= 5; i++) new Thread (Enter).Start (i);   }   static void Enter (object id)   {      _sem.Wait();// 同时只能有  

      Thread.Sleep (1000 * (int) id);               // 3个线程  

      _sem.Release();   }}

 

如果Sleep语句被替换为密集的磁盘 I/O 操作，由于Semaphore限制了过多的并发硬盘活动，就可能改善整体性能。

类似于Mutex，命名的Semaphore也可以跨进程使用。

3线程安全

说一个程序或方法是线程安全（ thread-safe）的，是指它在任意的多线程场景中都不存在不确定性。线程安全主要是通过锁以及减少线程交互来实现。

一般的类型很少有完全线程安全的，原因如下：

• 完全线程安全的开发负担很重，特别是如果一个类型有很多字段的情况（在任意多线程并发的情况下每个字段都有交互的潜在可能）。
• 线程安全可能会损失性能（某种程度上，无论类型是否实际被用于多线程都会增加损耗）。
• 线程安全的类型并不能确保使用该类型的程序也是线程安全的，为了实现程序线程安全所涉及的工作经常会使得类型线程安全成为多余。

因此线程安全通常只会在需要时再实现，只为了处理特定的多线程场景。

然而，有些方法可以用来“作弊” ，使庞大和复杂的类在多线程环境中安全运行。一种方法是牺牲粒度，将大段代码甚至是访问的整个对象封装在一个排它锁内，从而保证在高层上能进行顺序访问。事实上，如果我们希望在多线程环境中使用线程不安全的第三方代码（或大多数 Framework 的类型）时，这种策略是十分有用的。它仅仅是简单的使用了相同的排它锁，来保护对非线程安全对象上所有属性、方法和字段的访问。这种解决方案适用于对象的方法都能够快速执行的场景（否则会导致大量的阻塞）。

除基本类型外，很少有 .NET Framework 的类型能在比并发读取更高的需求下保证其实例成员是线程安全的。实现线程安全的责任就落在了开发人员身上，一般就是使用排它锁。（命名空间System.Collections.Concurrent中的类型是个例外，它们是线程安全的数据结构。）

另一种“作弊”的方法是通过最小化共享数据来减少线程交互。这是一种优秀的方法，隐式的用于“ 无状态（stateless）”的中间层程序和网页服务器中。由于多个客户端请求可以同时到达，服务端方法就必须是线程安全的。无状态设计（因可伸缩性（scalability）好而流行）在本质上限制了交互的可能性，因为类并不需要持久化请求之间的数据。线程交互仅限于静态字段，比如在内存中缓存通用数据，或者提供认证和审计这样的基础服务时需要考虑。

实现线程安全的最后一种方式是使用自动锁机制（automatic locking regime）。如果继承 ContextBoundObject 类并使用 Synchronization 特性，.NET Framework 就可以实现这种机制。当该对象上的方法或属性被调用时，一个对象范围（object-wide）的锁就会自动作用于整个方法或属性的调用。尽管这样降低了实现线程安全的负担，但是也有它的问题：它很可能造成死锁、降低并发度并引起并非有意的重入。正是由于这些原因，手动加锁通常是更好的选择（直到有更好用的自动锁机制出现）。

3.1线程安全与 .NET Framework 类型

锁可以用来将线程不安全的代码转换为线程安全的代码。.NET Framework 就是一个好例子：几乎所有的非基本类型的实例成员都不是线程安全的（对于比只读访问更高的需求），然而如果对指定对象的所有访问都通过锁进行保护，它们就可以被用于多线程代码中。例如，两个线程同时向同一个List中添加对象，然后枚举它：

class ThreadSafe{   static List <string> _list = new List <string>();   static void Main()   {     new Thread (AddItem).Start();     new Thread (AddItem).Start();   }   static void AddItem()   {     lock (_list) _list.Add ("Item " + _list.Count);     string[] items;     lock (_list) items = _list.ToArray();     foreach (string s in items) Console.WriteLine (s);   }}

 

在这个例子中，我们使用_list对象本身来加锁。如果有两个关联的List，就需要选择一个公共对象来加锁（可以使用其中一个List对象，然而更好的方式是使用一个独立的字段）。

枚举 .NET 的集合也不是线程安全的，因为如果在枚举的过程中集合被修改则会抛出异常。在这个例子中，我们并没有将整个枚举过程加锁，而是首先将其中的对象复制到一个数组中。如果我们要进行的枚举可能很耗时，那么可以通过上述方式避免过长时间锁定。（另一种解决方案是使用读写锁（reader / writer lock））

对线程安全的对象加锁

有时也需要对线程安全的对象加锁，为了举例说明，假设 Framework 的List类是线程安全的，我们要给它添加一个条目：

if (!_list.Contains (newItem)) _list.Add (newItem);

 

无论List本身是否线程安全，上面的语句都不是线程安全的！为了防止if条件判断执行后，在实际添加条目之前，被其它线程抢占修改了_list，整个if所包含的代码都需要封装在一个锁中。并且在所有要修改_list的地方都要使用这个锁。例如，下面的语句也需要封装在相同的锁中：

_list.Clear();

 

这也是为了确保了它不会在前面语句的执行过程中抢先执行。换句话说，我们不得不像对于非线程安全的集合一样锁定线程安全的集合（这使得对于List类是线程安全的假设变得多余）。

在高并发的环境下，对集合的访问加锁可能会产生大量阻塞，为此 Framework 4.0 提供了线程安全的队列、栈和字典。

静态成员

将对对象的访问封装在一个自定义锁中的方式，只有当所有参与并发的线程都知道并使用这个锁时才能起作用。然而如果需要加锁的逻辑有更大范围那就不是这么简单了。最糟糕的情况就是public类型中的静态成员。比如，我们假设DateTime结构体上的静态属性DateTime.Now不是线程安全的，即两个并发线程调用会导致错误的输出或是异常。使用外部加锁进行修正的唯一方法就是在调用DateTime.Now之前对类型本身加锁：lock(typeof(DateTime))。这仅适用于所有的程序员都接受这样做（这不太可能）。此外，对类型加锁也有其自身的问题。

因此，DateTime结构体的静态成员都经过细致的处理，来保证它是线程安全的。这在 .NET Framework 中是一个通用模式：静态成员是线程安全的，而实例成员则不是。编写类型让别人使用时，遵守这种模式就不会令别人感到困惑和遇到难以解决的线程安全问题。换句话说，保证静态成员的线程安全，就不会妨碍你的类型的使用者实现线程安全。

静态方法的线程安全是必须由明确的编码实现的，不是说把方法写成静态的就能自动实现线程安全！

只读线程安全

使类型对于并发只读访问是线程安全的会很有益，这意味着使用者可以避免使用排它锁。许多 .NET Framework 类型都遵循这一原则：例如集合对于并发读是线程安全的。

自己遵循这一愿则也很简单：如果我们希望一个类型对于并发只读访问是线程安全的，那么不要在使用者期望是只读的方法内修改字段（也不要加锁后修改）。例如，在集合的ToArray()方法的实现中，也许会从压紧（compacting）集合的内部结构开始。然而，这会导致使用者认为是只读的操作并非线程安全。

只读线程安全也是枚举器与可枚举类型分离的原因之一：两个线程可以在一个集合上同时进行枚举，因为它们会分别获得单独的枚举器。

如果缺乏文档，在认为一个方法是只读前一定要谨慎。一个很好的例子是Random类：当调用Random.Next()时，它会更新私有的种子（seed）值。因此，或者对Random类的使用加锁，或者每个线程使用单独的实例。

3.2应用服务器中的线程安全

应用服务器需要使用多线程来处理多个客户端的同时请求。WCF、ASP.NET 以及 Web Services 应用都是隐式多线程的。使用 TCP 或 HTTP 之类网络通道的远程（Remoting）服务应用程序也是如此。这意味着服务端编程必须考虑线程安全，考虑在处理客户端请求的线程间是否存在交互的可能。幸运的是，这种交互的可能性不大，一般服务端类要不然是无状态的（无字段），要不然就有为每个客户端或每个请求创建单独对象实例的激活模型。交互通常仅在静态字段上出现，有时是用于在内存中缓存数据库数据来提高性能。

例如，有一个查询数据库的RetrieveUser方法：

// User 是一个自定义类型，包含用户数据的字段internal User RetrieveUser (int id) { ... }

 

如果对这个方法的调用很频繁，可以通过在一个静态Dictionary中缓存查询结果来提高性能。下边是一个考虑了线程安全的方案：

static class UserCache{   static Dictionary <int, User> _users = new Dictionary <int, User>();   internal static User GetUser (int id)   {     User u = null;     lock (_users)       if (_users.TryGetValue (id, out u))         return u;     u = RetrieveUser (id);   // 从数据库获取数据    lock (_users) _users [id] = u;     return u;   }}

 

至少必须要在读取和更新字典时加锁来保证线程安全。在这个例子中，在加锁的便捷和性能之间进行了平衡。我们的设计略有一些效率问题：如果两个线程同时使用未缓存过数据的id调用这个方法，RetrieveUser就可能被调用两次，并且其中一次对字典的更新是不必要的。对整个方法加锁可以避免这一问题，但会导致更糟的效率：整个缓存在调用RetrieveUser的期间都会被加锁，在这段时间内，其它需要这样获取用户信息的线程都会被阻塞。

3.3富客户端应用与线程亲和

（译者注：这里的 thread affinity 译为线程亲和，是指 UI 控件与线程的一种“绑定”关系，而不是通常理解中的线程与 CPU 核心的绑定关系。）

WPF 与 Windows Forms 库都遵循基于线程亲和的模型。尽管它们有各自的实现，但是原理非常相似。

富客户端的构成主要基于DependencyObject（WPF 中）或是Control（Windows Forms 中）。这些对象具有线程亲和性（thread affinity），意思是只有创建它们的线程才能访问其成员。违反这一原则会引起不可预料的行为，或是抛出异常。

这样的好处是访问 UI 对象时并不需要加锁。而坏处是，如果希望调用在另一线程 Y 上创建的对象 X 的成员，就必须将请求封送（marshal）到线程 Y 。通过下列方法显式实现：

• WPF 中：在其Dispatcher对象上调用Invoke或BeginInvoke。
• Windows Forms 中：调用Control对象上的Invoke或BeginInvoke。

Invoke和BeginInvoke都接受一个委托，代表我们希望在目标控件上运行的的方法。Invoke是同步工作的：调用方在封送的委托执行完成前会被阻塞；BeginInvoke是异步工作的：调用方立即返回，封送请求被加入队列（使用与处理键盘、鼠标、定时器事件相同的消息队列）。

假定窗体包含一个名为txtMessage的文本框，我们希望使用一个工作线程更新其内容，下面是 WPF 的示例：

public partial class MyWindow : Window{   public MyWindow()   {     InitializeComponent();     new Thread (Work).Start();   }   void Work()   {     Thread.Sleep (5000);           // 模拟耗时任务    UpdateMessage ("The answer");   }   void UpdateMessage (string message)   {     Action action = () => txtMessage.Text = message;     Dispatcher.Invoke (action);   }}

 

Windows Forms 的代码类似，所不同的是我们调用Form的Invoke方法：

void UpdateMessage (string message){   Action action = () => txtMessage.Text = message;   this.Invoke (action);}

 

Framework 提供了两个构造来简化这个过程：

• BackgroundWorker
• 任务延续（Task continuations）

工作线程 vs UI 线程

我们可以认为富客户端应用程序中有两种不同的线程类别：UI 线程和工作线程。UI 线程创建（并“占有”） UI 元素，工作线程则不会；工作线程通常执行长时间任务，例如获取数据。

大多数的富客户端应用只有一个 UI 线程（它也是应用程序的主线程），它再去根据需要创建工作线程，可以直接创建或者使用BackgroundWorker。这些工作线程可以将代码封送回主 UI 线程来更新控件或报告工作进度。

那么，应用程序何时会需要多个 UI 线程呢？主要的应用场景是：如果应用具有多个顶级窗口，每个顶级窗口都是被称为单文档界面（Single Document Interface，SDI）的程序，例如 Microsoft Word。每个 SDI 窗口通常会在任务栏上显示为独立的应用程序，并且与其它的 SDI 窗口在功能上基本隔离。通过为每一个这样的窗口设置独立的 UI 线程，可以使应用程序有更好的响应。

3.4不可变对象

不可变对象的状态不能被修改，无论通过外部还是内部。不可变对象的字段通常被声明为只读的，并且在构造过程中就会被初始化好。

不变性（immutability ）是函数式编程的一个标志：不是修改对象，而是使用不同的属性创建一个新的对象。LINQ 就遵循这种模式。不变性在多线程中也很有价值，它可以通过消除（或是最小化）写入的可能来避免共享可写状态的问题。

使用不可变对象的一个模式是：封装一组相关的字段来最小化锁定的时长。下面的例子中，假设有两个字段：

int _percentComplete;string _statusMessage;

 

我们希望对其进行原子的读 / 写操作。除了加锁之外，也可以定义如下的不可变类：

class ProgressStatus    // 代表某活动进度{   public readonly int PercentComplete;   public readonly string StatusMessage;   // 这个类可能还有其它很多字段...   public ProgressStatus (int percentComplete, string statusMessage)   {     PercentComplete = percentComplete;     StatusMessage = statusMessage;   }}

 

然后，我们可以定义一个该类型的字段，以及一个用于加锁的对象：

readonly object _statusLocker = new object();ProgressStatus _status;

 

现在，我们就可以读 / 写该类型的值，而仅需要为一次赋值加锁：

var status = new ProgressStatus (50, "Working on it");// 想象一下我们曾经在这要处理多少个字段 ... // ...lock (_statusLocker) _status = status;    // 非常短暂的锁

 

要读取该对象，首先获取该对象的一个副本（在锁内），然后就可以读取其值而不需要继续占有锁：

ProgressStatus statusCopy;lock (_locker ProgressStatus) 

statusCopy = _status;   // 也是一个短暂的锁

int pc = statusCopy.PercentComplete;

string msg = statusCopy.StatusMessage;// ...

 

（译者注：上面代码有误，lock中应该是_statusLocker。这里的statusCopy也不是真正的副本，而仅仅相当于_status的别名，这么做是为了通过刷新处理器缓存，获取_status当前的一致状态。）

技术上讲，最后两行代码的线程安全，是因为之前的lock进行了隐式的内存屏障（memory barrier）。

需要注意的是，这种无锁（译者注：这里不是说完全没有用到锁，而是指锁非常短暂）的方法可以避免一组相关字段出现不一致的情况。但它无法阻止后续的操作修改数据，因此，通常需要使用锁。在第 5 部分中，将会看到使用不变性来简化多线程的更多示例，包括PLINQ。

可以根据先前的值安全的创建一个新的ProgressStatus对象（例如：在其上可以“增加”PercentComplete的值），而仅需锁定一行代码。实际上不使用锁都可以，我们可以显式使用内存屏障、Interlocked.CompareExchange还有自旋等待。这种高级技术将在稍后的并行编程中讲解。

 

原文链接: http://blog.gkarch.com/threading/part2.html