转贴:谈谈多线程的思维方式
Posted on 2009-04-24 08:53 Kevin-moon
前段时间仔细看过些关于多线程方面的资料，项目中用到线程的地方也不少，可是，当看了Jeffrey的一篇关于锁的文章后，发现自己虽然一直都在使用多线程，但是缺少了做多线程编程需要的思维！所以想从Jeffrey的Optex（锁）入手，来谈谈我从其中体会的东西。
在NET中，我们用的最多的锁机制就是lock，用起来很简单，短短几行程序就可以实现，例如：
Lock 's Code
public class TestThreading
{
private System.Object lockThis = new System.Object();
public void Function()
{
lock (lockThis)
{
// Access thread-sensitive resources.
}
}
}其实我们也明白，lock并不是锁，而是MS提供的一个简便式的写法，真正实现的是Monitor类中的Enter和Exit方法，既然提到了Monitor类也就说下有个需要注意的地方：
Pulse和PulseAll方法，这两个方法就是把锁状态将要改变的消息通知给等待队列中的线程，不过这时如果等待队列中没有线程，那么该方法就会一直等待下去，直到有等待的线程进入队列，也就是说该方法可能造成类试死锁的情况出现。
上面的lock + 线程(Thread和ThreadPool) = 多线程编程(N%)！？
对于该公式我曾经的N是80，现在是20。其中有很多东西影响我，让我从80->20，下面的Optex就是一个入口点。
Optex 's Code
public sealed class Optex : IDisposable {
private Int32 m_Waiters = 0;
private Semaphore m_WaiterLock = new Semaphore(0, Int32.MaxValue);
public Optex() { }
public void Dispose() {
if (m_WaiterLock != null)
{
m_WaiterLock.Close();
m_WaiterLock = null;
}
}
public void Enter() {
Thread.BeginCriticalRegion();
// Add ourself to the set of threads interested in the Optex
if (Interlocked.Increment(ref m_Waiters) == 1) {
// If we were the first thread to show interest, we got it.
return;
}
// Another thread has the Optex, we need to wait for it
m_WaiterLock.WaitOne();
// When WaitOne returns, this thread now has the Optex
}
public void Exit() {
// Subtract ourself from the set of threads interested in the Optex
if (Interlocked.Decrement(ref m_Waiters) > 0) {
// Other threads are waiting, wake 1 of them
m_WaiterLock.Release(1);
}
Thread.EndCriticalRegion();
}
} 看完上面的代码，让我增加了两点认识：
1、Thread.BeginCriticalRegion()和Thread.EndCriticalRegion();
因为这段时间正好看了一本多线程编程的书，既然将上面方法认为是进入临界区和退出临界区，对于临界区而言，进入该区的数据，在没有退出之前，如果临界区外的程序需要使用它，那么就必须出于等待。所以觉得已经使用临界区，为什么还要使用Semaphore？！
可是，MS只是取了个相同的名字，做的事情完全不同，上面两个方法完全没有临界区的概念，它只是设置一个区域(Begin到End之间)，表示该区域内发生线程中断或未处理的异常会影响整个应用程序域。
2、m_Waiters的作用
一开始以为在Enter的时候，直接写上：
m_WaiterLock.WaitOne();
Exit的时候，写上：
m_WaiterLock.Release(1);
这样就可以了。m_Waiters有什么意义？！
优化性能，Semaphore是内核对象，我们都知道，要尽量少的进入内核模式，因为这是很消耗性能，所以尽量少的使用内核对象。m_Waiters的意义就在这里，如果只有一个线程使用该锁对象的时候，是不需要去获取和释放的。 OK，上述的东西都是铺垫，铺完了也就进入主题了！
多线程的思维
优化的Optex
namespace ThreadConcurrent.Lock
{
public sealed class Optex : IDisposable
{
/// <summary>
/// 琐的状态
/// </summary>
private Int32 m_LockState = c_lsFree;
/// <summary>
/// 自由状态
/// </summary>
private const Int32 c_lsFree = 0x00000000;
/// <summary>
/// 被拥有状态
/// </summary>
private const Int32 c_lsOwned = 0x00000001;
/// <summary>
/// 等待的线程数
/// </summary>
private const Int32 c_1Waiter = 0x00000002;
private Semaphore m_WaiterLock = new Semaphore(0, Int32.MaxValue);
#region 构造函数
/// <summary>
///
/// </summary>
public Optex() { }
#endregion
/// <summary>
/// 请求锁
/// </summary>
public void Enter()
{
Thread.BeginCriticalRegion();
while (true)
{
Int32 ls = InterlockedOr(ref m_LockState, c_lsOwned);
//自由状态
if ((ls & c_lsOwned) == c_lsFree) return;
// 增加等待的线程数
if (IfThen(ref m_LockState, ls, ls + c_1Waiter))
{
m_WaiterLock.WaitOne();
}
}
}
public void Exit()
{
// 释放琐
Int32 ls = InterlockedAnd(ref m_LockState, ~c_lsOwned);
//无等待的线程
if (ls == c_lsOwned)
{
}
else
{
ls &= ~c_lsOwned;
if (IfThen(ref m_LockState, ls & ~c_lsOwned, ls - c_1Waiter))
{
m_WaiterLock.Release(1);
}
else
{
}
}
Thread.EndCriticalRegion();
}
#region 原子化操作
/// <summary>
/// 与操作
/// </summary>
/// <param name="target"></param>
/// <param name="with"></param>
/// <returns></returns>
private static Int32 InterlockedAnd(ref Int32 target, Int32 with)
{
Int32 i, j = target;
do
{
i = j;
j = Interlocked.CompareExchange(ref target, i & with, i);
} while (i != j);
return j;
}
/// <summary>
/// 或操作
/// </summary>
/// <param name="target"></param>
/// <param name="with"></param>
/// <returns></returns>
private static Int32 InterlockedOr(ref Int32 target, Int32 with)
{
Int32 i, j = target;
do
{
i = j;
j = Interlocked.CompareExchange(ref target, i | with, i);
} while (i != j);
return j;
}
#endregion
private static Boolean IfThen(ref Int32 val, Int32 @if, Int32 then)
{
return (Interlocked.CompareExchange(ref val, @then, @if) == @if);
}
private static Boolean IfThen(ref Int32 val, Int32 @if, Int32 then, out Int32 prevVal)
{
prevVal = Interlocked.CompareExchange(ref val, @then, @if);
return (prevVal == @if);
}
/// <summary>
/// 释放资源
/// </summary>
public void Dispose()
{
if (m_WaiterLock != null)
{
m_WaiterLock.Close();
m_WaiterLock = null;
}
}
}
} 对于上面的这个代码，我晕眩了好一段时间，不过当我真正理解的时候，从晕眩中学到了做多线程编程应该具备的思维方式。
首先从简单的理解开始谈，
1、原子化操作
对于InterLocked类，曾经也知道，但是却用的很少，不过从该代码中知道，在多线程的编程中对共享数据的写入操作，一定要达到原子性。至于如何做到这点，InterlockedAnd和InterlockedOr做了很好的诠释：
While循环的目的就是保证target值以最新的值做与操作，如果传入的值在执行的过程被其他线程改变的话，那么是不会退出该循环的，并会利用改变后的值重新做次与操作。
2、理解Enter和Exit
这两个方法很难写出来解释，用图是最清晰的。
曾经的晕眩：
1、Enter方法中为什么存在循环，为什么不是执行完waitone就结束，必须m_lockState等于c_IsFree的时候才结束？
线程的执行并不完全按照先前排好的顺序去执行，有时会发生一些特殊的情况来使改变线程的调度顺序，所以就可能会出现上图灰色部分的情况，则为了解决该可能发生的问题（概率很小）循环机制就出现了。
2、为什么在WaitOne和Release之前，除了增加和减少等待者外，还需要判断m_lockstate是否改变（进入Enter到执行Waitone前的这段时间）？
一般性的思维：
该程序的思维：
这样做的好处就是尽量少的操作内核对象，提高性能！
多线程编程虽然复杂，但是我觉得很有意思和挑战性，而且随着硬件的发展，多线程编程会更加重要，既然已经上路就让我们走到尽头！
