.Net多线程编程—同步机制

1.简介

新的轻量级同步原语：Barrier，CountdownEvent，ManualResetEventSlim，SemaphoreSlim，SpinLock，SpinWait。轻量级同步原语只能用在一个进程内。而相应的那些重量级版本支持跨进程的同步。

2.Barrier 

主要成员

1）public Barrier(int participantCount, Action<Barrier> postPhaseAction);构造 函数，participantCount：参与的线程个数（参与者的个数）， postPhaseAction每个阶段后执行的操作。

2) public void SignalAndWait();发出信号，表示参与者已达到屏障并等待所有其他参与者也达到屏障。

3) public bool SignalAndWait(int millisecondsTimeout); 如果所有参与者都已在指定时间内达到屏障，则为 true；否则为 false。

4) public int ParticipantCount { get; } 获取屏障中参与者的总数。

5) public long CurrentPhaseNumber { get; internal set; }获取屏障的当前阶段编号。

6）public int ParticipantsRemaining { get; }获取屏障中尚未在当前阶段发出信号的参与者的数量。每当新阶段开始时，这个值等于ParticipantCount ，每当有参与者调用这个属性时，其减一。

注意：

1) 每当屏障（Barrier实例）接收到来自所有参与者的信号之后，屏障就会递增其阶段数，运行构造函数中指定的动作，并且解除阻塞每一个参与者。

2）Barrier使用完要调用Dispose()方法释放资源

3.CountdownEvent

主要成员：

1) public int InitialCount { get; } 获取设置事件时最初的信号数。

1) public CountdownEvent(int initialCount);

2) public bool Signal();向 CountdownEvent 注册信号，同时减小CurrentCount的值。

3) public void Reset(int count);将 System.Threading.CountdownEvent.InitialCount 属性重新设置为指定值。

注意：

一定要确保每个参与工作的线程都调用了Signal，如果有至少一个没有调用，那么任务会永久阻塞。所以一般在finally块中调用Signal是个好习惯。

4.ManualResetEvent与ManualResetEventSlim

ManualResetEvent:可实现跨进程或AppDomain的同步。

主要成员：

1)public bool Reset();将事件状态设置为非终止状态，导致线程阻止,返回值指示操作是否成功。

2)public bool Set();将事件状态设置为终止状态，允许一个或多个等待线程继续,返回值指示操作是否成功。

ManualResetEventSlim:不可应用于跨进程的同步。

主要成员：

1） public bool IsSet { get; }获取是否设置了事件。

2） public void Reset();将事件状态设置为非终止状态，从而导致线程受阻,返回值指示操作是否成功。

3)public bool Set();将事件状态设置为终止状态，允许一个或多个等待线程继续,返回值指示操作是否成功。

4)public void Wait();阻止当前线程，直到设置了当前 ManualResetEventSlim 为止。

5) public void Dispose();释放资源。

6）public ManualResetEventSlim(bool initialState, int spinCount);

5.Semaphore与SemaphoreSlim

Semaphore:可实现跨进程或AppDomain的同步,可使用WaitHandle操作递减信号量的计数。

主要成员：

1)public Semaphore(int initialCount, int maximumCount);

2)public int Release();退出信号量并返回前一个计数。

3)public virtual bool WaitOne(); 阻止当前线程，直到当前 System.Threading.WaitHandle 收到信号。 如果当前实例收到信号，则为 true。 如果当前实例永远收不到信号，则 System.Threading.WaitHandle.WaitOne(System.Int32,System.Boolean)永不返回。

注意：

使用完Semaphore立即调用Dispose()方法释放资源。

SemaphoreSlim：不可实现跨进程或AppDomain的同步,不可使用WaitHandle操作递减信号量的计数。

主要成员：

1）public SemaphoreSlim(int initialCount, int maxCount);

2）public int CurrentCount { get; } 获取将允许进入 System.Threading.SemaphoreSlim 的线程的数量。

3）public int Release();退出 System.Threading.SemaphoreSlim 一次。

4）public void Wait();阻止当前线程，直至它可进入 System.Threading.SemaphoreSlim 为止。

5）public WaitHandle AvailableWaitHandle { get; }返回一个可用于在信号量上等待的 System.Threading.WaitHandle。

注意：

使用完SemaphoreSlim立即调用Dispose()方法释放资源。

6.SpinLock:自旋锁，对SpinWait的包装

主要成员：

1）public void Enter(ref bool lockTaken); 采用可靠的方式获取锁，这样，即使在方法调用中发生异常的情况下，都能采用可靠的方式检查 lockTaken 以确定是否已获取锁。

2）public void Exit(bool useMemoryBarrier);释放锁

说明：

1）不要将SpinLock声明为只读字段。

2）确保每次任务结束后都释放锁。

7.SpinWait:基于自旋的等待

主要成员：

1）public static void SpinUntil(Func<bool> condition);在指定条件得到满足之前自旋。

2）public static bool SpinUntil(Func<bool> condition, int millisecondsTimeout);在指定条件得到满足或指定超时过期之前自旋。

说明：

1）适用情形：等待某个条件满足需要的时间很短，并且不希望发生昂贵的上下文切换。

2）内存开销非常小。其是一个结构体，不会产生不必要的内存开销。

3）如果自旋时间过长，SpinWait会让出底层线程的时间片并触发上下文切换。

8.Look：互斥锁

说明：

1）通过使用lock关键字可以获得一个对象的互斥锁。

2）使用lock，这会调用System.Threading.Monitor.Enter(object obj, ref bool lockTaken)和System.Threading.Monitor.Exit(object obj)方法。

3）不要对值类型使用Lock

4）避免锁定类的外部对象，避免跨成员或类的边界获得和释放一个锁，避免获得锁的时候调用未知代码。

9.Monitor

主要成员：

1）public static void Enter(object obj, ref bool lockTaken);获取指定对象上的排他锁，并自动设置一个值，指示是否获取了该锁。

2）public static void Exit(object obj);释放指定对象上的排他锁。

3）public static void TryEnter(object obj, int millisecondsTimeout, ref bool lockTaken);在指定的毫秒数中，尝试获取指定对象上的排他锁，并自动设置一个值，指示是否得到了该锁。

说明：

1）不要对值类型使用Monitor。

2）避免锁定类的外部对象，避免跨成员或类的边界获得和释放一个锁，避免获得锁的时候调用未知代码。

10.volatile修饰符

作用：

当共享变量被不同的线程访问和更新且没有锁和原子操作的时候，最新的值总能在共享变量中表现出来。

注意：

1）可以将这个修饰符用于类和struct的字段，但不能声明使用volatile关键字的局部变量。

2）Volatile可修饰的类型为：整型，bool,带有整型的枚举，引用类型，推到为引用类型的泛型类型，不安全上下文中的指针类型以及表示指针或者句柄的平台相关类型。

11.Interlocked：为多任务或线程共享的变量提供原子操作

主要成员：

1）public static int Increment(ref int location);以原子操作的形式递增指定变量的值并存储结果。

2）public static int Add(ref int location1, int value);对两个 32 位整数进行求和并用和替换第一个整数，上述操作作为一个原子操作完成。

3）public static float CompareExchange(ref float location1, float value, float comparand); 比较两个单精度浮点数是否相等，如果相等，则替换其中一个值。

4）public static int Decrement(ref int location);以原子操作的形式递减指定变量的值并存储结果。

注意：

最大的好处：开销低，效率高。

 

12 使用模式

1）Barrier

public static void BarrierTest1()
{
            //构造函数的参数participantCount表示参与者的数量。
            //注意：父线程也是一个参与者，所以两个任务，但是Barrier的participantCount为3
            //注意：无法保证任务1和任务2完成的先后顺序。
            //Barrier(int participantCount, Action<Barrier> postPhaseAction);也可使 用此方法
            //当所有参与者都已到达屏障后，执行要处理的任务，即对两个任务产生的数据统一处理的过程可放在此处执行。
            using (Barrier bar = new Barrier(3))
            {
                Task.Factory.StartNew(() =>
                {

                    //具体业务

                    //当业务完成时，执行下面这行代码；发出信号，表明任务已完成，并等待其他参与者
                    bar.SignalAndWait();

                });

                Task.Factory.StartNew(() =>
                {

                    //具体业务

                    //当业务完成时，执行下面这行代码；发出信号，表明任务已完成，并等待其他参与者
                    bar.SignalAndWait();

                });

                //保证上面两个任务都能完成才执行bar.SignalAndWait();这一句之后的代码
                bar.SignalAndWait();
                //当上述两个任务完成后，对两个任务产生的数据进行统一处理。

            }

        }

        public static void BarrierTest2()
        {
            //构造函数的参数participantCount表示参与者的数量。
            using (Barrier bar = new Barrier(3))
            {
                Task.Factory.StartNew(() =>
                {

                    //具体业务

                    //当业务完成时，执行下面这行代码；移除一个参与者
                    //注意：bar.SignalAndWait();与bar.RemoveParticipant();可以混用
                    bar.RemoveParticipant();

                });

                Task.Factory.StartNew(() =>
                {

                    //具体业务

                    //当业务完成时，执行下面这行代码；移除一个参与者
                    bar.RemoveParticipant();

                });

                bar.SignalAndWait();
                //当上述两个任务完成后，对两个任务产生的数据进行统一处理。
            }
}

2）CountdownEvent

public static void CountdownEventTest()
{
            //注意初始化信号数等于并行的任务数
            int initialCount = N;
            using (CountdownEvent cd = new CountdownEvent(initialCount))
            {
                //多个并行任务，完成一个减少一个信号
                for (int i = 0; i < N; i++)
                {
                    Task.Factory.StartNew(() => 
                    {
                        try
                        {
                            //真正的业务
                        }
                        finally
                        {
                            //确保不论何种情况都能减少信号量，防止死循环
                            cd.Signal();
                        }
                    });
                }

                //等待上述多个任务执行完毕
                cd.Wait();
            }
}

3）ManualResetEvent与ManualResetEventSlim

public static void ManualResetEventTest()
{
            ManualResetEvent mre = new ManualResetEvent(false);
            ManualResetEvent mre1 = new ManualResetEvent(false);

            try
            {
                Task.Factory.StartNew(() =>
                {
                    //业务
                    mre.Set();
                });

                Task.Factory.StartNew(() =>
                {
                    mre.WaitOne();

                    //使用任务1的数据
                    
                    mre1.Set();

                });

                //等待任务全部执行完
                mre1.WaitOne();
            }
            finally
            {
                mre.Dispose();
                mre1.Dispose();
            }
        }
        //注意：本示例并不是一个最佳实践，目的在于演示ManualResetEventSlim
        //当没有更好的协调机制时，可考虑使用本示例
        public static void ManualResetEventSlimTest1()
        {
            ManualResetEventSlim mreslim = new ManualResetEventSlim();
            ManualResetEventSlim mreslim1 = new ManualResetEventSlim();
            try
            {
                Task.Factory.StartNew(() =>
                {
                    mreslim.Set();

                    //业务

                    mreslim.Reset();

                });

                Task.Factory.StartNew(() =>
                {
                    //当mreslim.Set()被调用时，mreslim.Wait()立即返回，即解除阻塞。
                    mreslim.Wait();
                    //直到mreslim.Reset()被调用，循环才会结束
                    while (mreslim.IsSet)
                    {
                        //业务
                    }
                    mreslim1.Set();
                });

                //等待第二个任务完成
                mreslim1.Wait();
            }
            finally
            {
                mreslim.Dispose();
                mreslim1.Dispose();
            }
}

4）Semaphore与SemaphoreSlim

public static void SemaphoreSlimTest()
{
            int initialCount = 10;//可以是其他值
            List<string> list = new List<string>();
            var tasks = new Task[initialCount];
　　　　　　　//如果使用Semaphore，实例化的时候，那么最少要传递两个参数，信号量的初始请求数和信号量的最大请求数
            using(SemaphoreSlim ssl = new SemaphoreSlim(initialCount))
            {
                for (int i = 0; i < initialCount; i++)
                {
                    int j = i;
                    tasks[j] = Task.Factory.StartNew(() =>
                    {
                        try
                        {
                            //等待，直到进入SemaphoreSlim为止
 　　　　　　　　　　　　　　　　//如果使用Semaphore，应调用WaitOne
                            ssl.Wait();
                            //直到进入SemaphoreSlim才会执行下面的代码
                            list.Add(""+j);//可将这部分替换成真实的业务代码
                        }
                        finally
                        {
                            ssl.Release();
                        }
                    });
                }
                //注意一定要在using块的最后阻塞线程，直到所有的线程均处理完任务
                //如果没有等待任务全部完成的语句，会导致SemaphoreSlim资源被提前释放。
                Task.WaitAll(tasks);
            }          
}

5）SpinLock

public static void SpinLockTest()
{
            bool lockTaken = false;
            SpinLock sl = new SpinLock(true);
            try
            {
                //获得锁
                //如果不能获得锁，将会等待并不断检测锁是否可用
                //获得锁后，lockTaken为true,此行代码之后的部分才会开始运行
                sl.Enter(ref lockTaken);

                //或使用含有超时机制的TryEnter方法
                //sl.TryEnter(1000,ref lockTaken);
                //然后抛出超时异常
                //if (!lockTaken)
                //{
                //    throw new TimeoutException("超时异常");
                //}

                //真正的业务。。。
                
            }
            finally
            {
                if (lockTaken)
                {
                    //释放锁
                    //SpinLock没有使用内存屏障,因此设成false
                    sl.Exit(false);
                }
            }                        
}

6）SpinWait

public static void SpinWaitTest()
{
            bool isTrue = false;
            //任务一，处理业务，成功将isTrue设置为true
            Task.Factory.StartNew(() => 
            {
                //处理业务，返回结果result指示是否成功
                bool result = ...;
                if (result)
                {
                    isTrue = true;
                }
            });

            //可设定等待时间，如果超时，则向下执行
            Task.Factory.StartNew(() => {
                SpinWait.SpinUntil(()=>isTrue,10000);
                //真正的业务
            });
}

7） Look

下面两段代码是等价的。
lock (Object)
{
       //do something
}

//等价代码
bool lockTaken = false;
try
{
    Monitor.Enter(object,lockTaken);
     //do something
}
finally
{
     if(lockTaken)
     {
            Monitor.Exit(object);
       }
}

8）Interlocked

public static void InterlockedTest()
{
            Task[] tasks = new Task[10];
            long j = 0;
            for(int i=0;i<10;i++)
            {
                int t = i;
                tasks[t] = Task.Factory.StartNew(()=>
                {
        　　　　　　  //以安全的方式递增j
                    Interlocked.Increment(ref j);
                });
            }
            Task.WaitAll(tasks);           
}

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