多線程中的鎖系統(一)-基礎用法

時間  2019-11-17
標籤 多線程 系統 基礎 用法 欄目 Java 简体版
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     日常在多線程開發中，總避免不了線程同步。本篇對net多線程中的鎖系統作個簡單描述。html

閱讀目錄：

  1. lock、Monitor
  2. 做用域範圍
  3. 字符串鎖
  4. Monitor的用法
  5. Mutex
  6. Semaphore
  7. 總結

lock、Monitor

Lock是Monitor語法糖簡化寫法，Lock在IL會生成Monitor。c#

       //======Example 1=====
            string obj = "helloworld";
            lock (obj)
            {
                Console.WriteLine(obj);
            }
            //lock  IL會編譯成以下寫法
            bool isGetLock = false;
            Monitor.Enter(obj, ref isGetLock);
            try
            {
                Console.WriteLine(obj);
            }
            finally
            {
                if (isGetLock)
                {
                    Monitor.Exit(obj);
                }
            }

isGetLock參數是Framework  4.0後新加的。 爲了使程序在全部狀況下都可以肯定，是否有必要釋放鎖。例: Monitor.Enter拿不到鎖windows

Monitor.Enter 是能夠鎖值類型的。鎖時會裝箱成新對象，因此沒法作到線程同步。數據結構

做用域範圍

     一：Lock是隻能在進程內鎖，不能跨進程，內部走的是混合構造，先自旋再轉成內核構造。多線程

     二：關於對type類型的鎖，以下：app

   //======Example 2=====
            new Thread(new ThreadStart(() => {
                lock (typeof(int))
                {
                    Thread.Sleep(10000);
                    Console.WriteLine("Thread1釋放");
                }
            })).Start();
            Thread.Sleep(1000);
            lock(typeof(int))
            {
                Console.WriteLine("Thread2釋放");
            }

運行結果以下：函數

在看個例子:性能

  //======Example 3=====
            Console.WriteLine(DateTime.Now);
            AppDomain appDomain1 = AppDomain.CreateDomain("AppDomain1");
            LockTest Worker1 = (LockTest)appDomain1.CreateInstanceAndUnwrap(
             Assembly.GetExecutingAssembly().FullName,
             "ConsoleApplication1.LockTest");
            Worker1.Run();

            AppDomain appDomain2 = AppDomain.CreateDomain("AppDomain2");
            LockTest Worker2 = (LockTest)appDomain2.CreateInstanceAndUnwrap(
            Assembly.GetExecutingAssembly().FullName,
            "ConsoleApplication1.LockTest");
            Worker2.Run();
/// <summary>
    /// 跨應用程序域邊界或遠程訪問時須要繼承MarshalByRefObject
    /// </summary>
    public class LockTest : MarshalByRefObject
    {
        public void Run()
        {
            lock (typeof(int))
            {
                Thread.Sleep(10000);
                Console.WriteLine(AppDomain.CurrentDomain.FriendlyName + ": Thread 釋放," + DateTime.Now);
            }
        }
    }

運行結果以下：測試

第一個例子說明，在同進程同域，不一樣線程下，鎖type int，其實鎖的是同一個int對象，因此要慎用。ui

第二個例子，這裏就簡單說下。

      A: CLR啓動時，會建立 系統域（System Domain）和共享域（Shared Domain）， 默認程序域（Default AppDomain）。 系統域和共享域是單例的。程序域能夠有多個，例子中咱們使用AppDomain.CreateDomain方法建立的。

      B:  按正常來講，每一個程序域的代碼都是隔離，互不影響的。但對於一些基礎類型來講，每一個程序域都從新加載一份，就顯得有點浪費，帶來額外的損耗壓力。聰明的CLR會把一些基本類型Object, ValueType, Array, Enum, String, and Delegate等所在的程序集MSCorLib.dll，在CLR啓動過程當中都會加載到共享域。  每一個程序域都會使用共享域的基礎類型實例。  

      C: 而每一個程序域都有屬於本身的託管堆。託管堆中最重要的是GC heap和Loader heap。GC heap用於引用類型實例的存儲，生命週期管理和垃圾回收。Loader heap保存類型系統，如MethodTable，數據結構等，Loader heap生命週期不受GC管理，跟程序域卸載有關。

     因此共享域中Loader heap MSCorLib.dll中的int實例會一直保留着，直到進程結束。單個程序域卸載也不受影響。做用域很大有沒有！！！

     這時第二個例子也很容易理解了。 鎖int實例是跨程序域的，MSCorLib中的基礎類型都是這樣， 極容易形成死鎖。  而自定義類型則會加載到本身的程序域，不會影響其餘。

字符串的鎖

咱們都知道鎖的目的，是爲了多線程下值被破壞。也知道string在c#是個特殊對象，值是不變的，每次變更都是一個新對象值，這也是推薦stringbuilder緣由。如例：

    //======Example 4=====
            string str1 = "mushroom";
            string str2 = "mushroom";
            var result1 = object.ReferenceEquals(str1, str2);
            var result2 = object.ReferenceEquals(str1, "mushroom");
            Console.WriteLine(result1 + "-" + result2);
            /* output
             * True-True
             */

 正是因爲c#中字符串的這種特性，因此字符串是在多線程下是不會被修改的，只讀的。它存在於SystemDomain域中managed heap中的一個hash table中。其中Key爲string自己，Value爲string對象的地址。

 當程序域須要一個string的時候，CLR首先在這個Hashtable根據這個string的hash code試着找對應的Item。若是成功找到，則直接把對應的引用返回，不然就在SystemDomain對應的managed heap中建立該 string，並加入到hash table中，並把引用返回。因此說字符串的生命週期是基於整個進程的，也是跨AppDomain。

Monitor的用法

簡單介紹下Wait，Pulse,PulseAll的用法，已加註釋。

 static string str = "mushroom";
        static void Main(string[] args)
        {
            new Thread(() =>
            {
                bool isGetLock = false;
                Monitor.Enter(str, ref isGetLock);
                try
                {
                    Console.WriteLine("Thread1第一次獲取鎖");
                    Thread.Sleep(5000);
                    Console.WriteLine("Thread1暫時釋放鎖，並等待其餘線程釋放通知信號。");
                    Monitor.Wait(str); 
                    Console.WriteLine("Thread1接到通知,第二次獲取鎖。");
                    Thread.Sleep(1000);
                } 
                finally
                {
                    if (isGetLock)
                    {
                        Monitor.Exit(str);
                        Console.WriteLine("Thread1釋放鎖");
                    }
                }
            }).Start();
            Thread.Sleep(1000);
            new Thread(() =>
            {
                bool isGetLock = false;
                Monitor.Enter(str, ref isGetLock); //一直等待中，直到其餘釋放。
                try
                {
                    Console.WriteLine("Thread2得到鎖");
                    Thread.Sleep(5000);
                    Monitor.Pulse(str); //通知隊列裏一個線程，改變鎖狀態。  Pulseall 通知全部的
                    Console.WriteLine("Thread2通知其餘線程，改變狀態。");
                    Thread.Sleep(1000);
                }
                finally
                {
                    if (isGetLock)
                    {
                        Monitor.Exit(str);
                        Console.WriteLine("Thread2釋放鎖");
                    }
                }

            }).Start();
            Console.ReadLine();

Mutex

 lock是不能跨進程鎖的。 mutex做用和lock相似，可是它能跨進程鎖資源(走的是windows內核構造)，如例子：

    static bool createNew = false;
        //第一個參數 是否應擁有互斥體的初始所屬權。即createNew true時，mutex默認得到處理信號
        //第二個是名字，第三個是否成功。
        public static Mutex mutex = new Mutex(true, "mushroom.mutex", out createNew);

        static void Main(string[] args)
        {
            //======Example 5=====
            if (createNew)  //第一個建立成功，這時候已經拿到鎖了。 無需再WaitOne了。必定要注意。
            {
                try
                {
                    Run();
                }
                finally
                {
                    mutex.ReleaseMutex(); //釋放當前鎖。  
                }
            }
            //WaitOne 函數做用是阻止當前線程，直到拿到收到其餘實例釋放的處理信號。
            //第一個參數是等待超時時間，第二個是否退出上下文同步域。
            else if (mutex.WaitOne(10000,false))//
            {
                try
                {
                    Run();
                }
                finally
                {
                    mutex.ReleaseMutex();
                }
            }
            else//若是沒有發現處理信號
            {
                Console.WriteLine("已經有實例了。");
                Console.ReadLine();
            }
        }
        static void Run()
        {
            Console.WriteLine("實例1");
            Console.ReadLine();
        }

順序啓動A  B實例測試下。A首先拿到鎖，輸出 實例1 。B在等待， 若是10秒內A釋放，B拿到執行Run()。超時後輸出"已經有實例了"。

這裏注意的是第一個拿處處理信號 的實例，已經拿到鎖了。不須要再WaitOne。  不然報異常。  

Semaphore

 即信號量，咱們能夠把它理解爲升級版的mutex。mutex對一個資源進行鎖，semaphore則是對多個資源進行加鎖。

semaphore是由windows內核維持一個int32變量的線程計數器，線程每調用一次、計數器減1、釋放後對應加一， 超出的線程則排隊等候。

走的是內核構造，因此semaphore也是能夠跨進程的。

 static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("準備處理隊列");

            bool createNew = false;

            SemaphoreSecurity ss = new SemaphoreSecurity(); //信號量權限控制
            Semaphore semaphore = new Semaphore(2, 2, "mushroom.Semaphore", out createNew,null);
            for (int i = 1; i <= 5; i++)
            {
                new Thread((arg) =>
                {
                    semaphore.WaitOne();
                    Console.WriteLine(arg + "處理中");
                    Thread.Sleep(10000);
                    semaphore.Release(); //即semaphore.Release(1)
                    //semaphore.Release(5);能夠釋放多個，但不能超過最大值。若是最後釋放的總量超過自己總量，也會報錯。 不建議使用

                }).Start(i);
            }
            Console.ReadLine();
        }

總結

mutex、Semaphore  須要先把託管代碼轉成本地用戶模式代碼、再轉換成本地內核代碼。  

當釋放後須要從新轉換成託管代碼，性能會有必定的損耗，因此儘可能在須要跨進程的場景再使用。 

參考 http://www.cnblogs.com/artech/archive/2007/06/04/769805.html

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