一、線程同步概述

前面的文章都是講創(chuàng)建多線程來(lái)實(shí)現(xiàn)讓我們能夠更好的響應(yīng)應(yīng)用程序，然而當(dāng)我們創(chuàng)建了多個(gè)線程時(shí)，就存在多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)共享的資源的情況，在這種情況下，就需要我們用到線程同步，線程同步可以防止數(shù)據(jù)（共享資源）的損壞。

然而我們?cè)谠O(shè)計(jì)應(yīng)用程序還是要盡量避免使用線程同步， 因?yàn)榫€程同步會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題：

1. 它的使用比較繁瑣。因?yàn)槲覀円妙~外的代碼把多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)的數(shù)據(jù)包圍起來(lái)，并獲取和釋放一個(gè)線程同步鎖，如果我們?cè)谝粋€(gè)代碼塊忘記獲取鎖，就有可能造成數(shù)據(jù)損壞。

2. 使用線程同步會(huì)影響性能，獲取和釋放一個(gè)鎖肯定是需要時(shí)間的吧，因?yàn)槲覀冊(cè)跊Q定哪個(gè)線程先獲取鎖時(shí)候， CPU必須進(jìn)行協(xié)調(diào)，進(jìn)行這些額外的工作就會(huì)對(duì)性能造成影響

3. 因?yàn)榫€程同步一次只允許一個(gè)線程訪問(wèn)資源，這樣就會(huì)阻塞線程，阻塞線程會(huì)造成更多的線程被創(chuàng)建，這樣CPU就有可能要調(diào)度更多的線程，同樣也對(duì)性能造成了影響。

所以在實(shí)際的設(shè)計(jì)中還是要盡量避免使用線程同步，因此我們要避免使用一些共享數(shù)據(jù)，例如靜態(tài)字段。

二、線程同步的使用

2.1 對(duì)于使用鎖性能的影響

上面已經(jīng)說(shuō)過(guò)使用鎖將會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響， 下面通過(guò)比較使用鎖和不使用鎖時(shí)消耗的時(shí)間來(lái)說(shuō)明這點(diǎn)

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;

namespace InterlockedSample
{
  // 比較使用鎖和不使用鎖鎖消耗的時(shí)間
  // 通過(guò)時(shí)間來(lái)說(shuō)明使用鎖性能的影響
  class Program
  {
    static void Main(string[] args)
    {
      int x = 0;
      // 迭代次數(shù)為500萬(wàn)
      const int iterationNumber = 5000000; 
      // 不采用鎖的情況
      // StartNew方法 對(duì)新的 Stopwatch 實(shí)例進(jìn)行初始化，將運(yùn)行時(shí)間屬性設(shè)置為零，然后開始測(cè)量運(yùn)行時(shí)間。
      Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
      for (int i = 0; i < iterationNumber; i++)
      {
        x++;
      }

      Console.WriteLine("Use the all time is :{0} ms", sw.ElapsedMilliseconds);

      sw.Restart();
      // 使用鎖的情況
      for (int i = 0; i < iterationNumber; i++)
      {
        Interlocked.Increment(ref x);
      }

      Console.WriteLine("Use the all time is :{0} ms", sw.ElapsedMilliseconds);
      Console.Read();
    }
  }
}

運(yùn)行結(jié)果（這是在我電腦上運(yùn)行的結(jié)果）從結(jié)果中可以看出加了鎖的運(yùn)行速度慢了好多（慢了11倍 197/18 ）：

2.2 Interlocked實(shí)現(xiàn)線程同步

Interlocked類提供了為多個(gè)線程共享的變量提供原子操作，當(dāng)我們?cè)诙嗑€程中對(duì)一個(gè)整數(shù)進(jìn)行遞增操作時(shí)，就需要實(shí)現(xiàn)線程同步。

因?yàn)樵黾幼兞坎僮鳎?+運(yùn)算符）不是一個(gè)原子操作，需要執(zhí)行下列步驟：

1）將實(shí)例變量中的值加載到寄存器中。

2）增加或減少該值。

3）在實(shí)例變量中存儲(chǔ)該值。

如果不使用 Interlocked.Increment方法，線程可能會(huì)在執(zhí)行完前兩個(gè)步驟后被搶先。然后由另一個(gè)線程執(zhí)行所有三個(gè)步驟，此時(shí)第一個(gè)線程還沒(méi)有把變量的值存儲(chǔ)到實(shí)例變量中去，而另一個(gè)線程就可以把實(shí)例變量加載到寄存器里面讀取了（此時(shí)加載的值并沒(méi)有改變），所以會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)的結(jié)果不是我們預(yù)期的，相信這樣的解釋可以幫助大家更好的理解Interlocked.Increment方法和 原子性操作，

下面通過(guò)一段代碼來(lái)演示下加鎖和不加鎖的區(qū)別（開始講過(guò)加鎖會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響，這里將介紹加鎖來(lái)解決線程同步的問(wèn)題，得到我們預(yù)期的結(jié)果）：

不加鎖的情況：

class Program
  {
    static void Main(string[] args)
    {   for (int i = 0; i < 10; i++)
      {
        Thread testthread = new Thread(Add);
        testthread.Start();
      }

      Console.Read();
    }

    // 共享資源
    public static int number = 1;

    public static void Add()
    {
      Thread.Sleep(1000);
      Console.WriteLine("the current value of number is:{0}", ++number);
    }
}

運(yùn)行結(jié)果（不同電腦上可能運(yùn)行的結(jié)果和我的不一樣，但是都是得到不是預(yù)期的結(jié)果的）：

為了解決這樣的問(wèn)題，我們可以通過(guò)使用 Interlocked.Increment方法來(lái)實(shí)現(xiàn)原子的自增操作。

代碼很簡(jiǎn)單，只需要把++number改成Interlocked.Increment(ref number)就可以得到我們預(yù)期的結(jié)果了，在這里代碼和運(yùn)行結(jié)果就不貼了。

總之Interlocked類中的方法都是執(zhí)行一次原子讀取以及寫入的操作的。

2.3 Monitor實(shí)現(xiàn)線程同步

對(duì)于上面那個(gè)情況也可以通過(guò)Monitor.Enter和Monitor.Exit方法來(lái)實(shí)現(xiàn)線程同步。C#中通過(guò)lock關(guān)鍵字來(lái)提供簡(jiǎn)化的語(yǔ)法(lock可以理解為Monitor.Enter和Monitor.Exit方法的語(yǔ)法糖),代碼也很簡(jiǎn)單：

using System;
using System.Threading;

namespace MonitorSample
{
  class Program
  {
    static void Main(string[] args)
    {
      for (int i = 0; i < 10; i++)
      {
        Thread testthread = new Thread(Add);
        testthread.Start();
      }

      Console.Read();
    }

    // 共享資源
    public static int number = 1;

    public static void Add()
    {
      Thread.Sleep(1000);
      //獲得排他鎖
      Monitor.Enter(number);

      Console.WriteLine("the current value of number is:{0}", number++);

      // 釋放指定對(duì)象上的排他鎖。
      Monitor.Exit(number);
    }
  }
}

運(yùn)行結(jié)果當(dāng)然是我們所期望的：

在 Monitor類中還有其他幾個(gè)方法在這里也介紹，只是讓大家引起注意下，一個(gè)Wait方法，很明顯Wait方法的作用是：釋放某個(gè)對(duì)象上的鎖以便允許其他線程鎖定和訪問(wèn)這個(gè)對(duì)象。第二個(gè)就是TryEnter方法，這個(gè)方法與Enter方法主要的區(qū)別在于是否阻塞當(dāng)前線程，當(dāng)一個(gè)對(duì)象通過(guò)Enter方法獲取鎖，而沒(méi)有執(zhí)行Exit方法釋放鎖，當(dāng)另一個(gè)線程想通過(guò)Enter獲得鎖時(shí)，此時(shí)該線程將會(huì)阻塞，直到另一個(gè)線程釋放鎖為止，而TryEnter不會(huì)阻塞線程。具體代碼就不不寫出來(lái)了。

2.4 ReaderWriterLock實(shí)現(xiàn)線程同步

如果我們需要對(duì)一個(gè)共享資源執(zhí)行多次讀取時(shí)，然而用前面所講的類實(shí)現(xiàn)的同步鎖都只允許一個(gè)線程允許，所有線程將阻塞，但是這種情況下肯本沒(méi)必要堵塞其他線程， 應(yīng)該讓它們并發(fā)的執(zhí)行，因?yàn)槲覀兇藭r(shí)只是進(jìn)行讀取操作，此時(shí)通過(guò)ReaderWriterLock類可以很好的實(shí)現(xiàn)讀取并行。

演示代碼為：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;

namespace ReaderWriterLockSample
{
  class Program
  {
    public static List<int> lists = new List<int>();

    // 創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象
    public static ReaderWriterLock readerwritelock = new ReaderWriterLock();
    static void Main(string[] args)
    {
      //創(chuàng)建一個(gè)線程讀取數(shù)據(jù)
      Thread t1 = new Thread(Write);
      t1.Start();
      // 創(chuàng)建10個(gè)線程讀取數(shù)據(jù)
      for (int i = 0; i < 10; i++)
      {
        Thread t = new Thread(Read);
        t.Start();
      }

      Console.Read();

    }

    // 寫入方法
    public static void Write()
    {
      // 獲取寫入鎖，以10毫秒為超時(shí)。
      readerwritelock.AcquireWriterLock(10);
      Random ran = new Random();
      int count = ran.Next(1, 10);
      lists.Add(count);
      Console.WriteLine("Write the data is:" + count);
      // 釋放寫入鎖
      readerwritelock.ReleaseWriterLock();
    }

    // 讀取方法
    public static void Read()
    {
      // 獲取讀取鎖
      readerwritelock.AcquireReaderLock(10);

      foreach (int li in lists)
      {
        // 輸出讀取的數(shù)據(jù)
        Console.WriteLine(li);
      }

      // 釋放讀取鎖
      readerwritelock.ReleaseReaderLock();
    }
  }
}

運(yùn)行結(jié)果：

三、總結(jié)

本文中主要介紹如何實(shí)現(xiàn)多線程同步的問(wèn)題， 通過(guò)線程同步可以防止共享數(shù)據(jù)的損壞，但是由于獲取鎖的過(guò)程會(huì)有性能損失，所以在設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中盡量減少線程同步的使用。本來(lái)還要介紹互斥(Mutex), 信號(hào)量(Semaphore), 事件構(gòu)造的， 由于篇幅的原因怕影響大家的閱讀，所以這剩下的內(nèi)容放在后面介紹的。

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