從新想象 Windows 8 Store Apps (46) - 多線程之線程同步: Lock, Monitor, Interlocked, Mutex, ReaderWriterLock

時間 2019-11-13

標籤從新想象 windows store apps 多線程線程同步 lock monitor interlocked mutex readerwriterlock 欄目 Windows 简体版

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做者：webabcd

介紹
從新想象 Windows 8 Store Apps 之線程同步html5

lock - 其實就是對 Monitor.Enter() 和 Monitor.Exit() 的一個封裝
Monitor - 鎖
Interlocked - 爲多個線程共享的數字型變量提供原子操做
Mutex - 互斥鎖，主要用於同一系統內跨進程的互斥鎖
ReaderWriterLock - 讀寫鎖

示例
一、演示 lock 的使用
Thread/Lock/LockDemo.xamlweb

<Page
    x:Class="XamlDemo.Thread.Lock.LockDemo"
    xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
    xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
    xmlns:local="using:XamlDemo.Thread.Lock"
    xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"
    xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"
    mc:Ignorable="d">

    <Grid Background="Transparent">
        <StackPanel Margin="120 0 0 0">

            <TextBlock Name="lblMsgWithoutLock" FontSize="14.667" />
            <TextBlock Name="lblMsgWithLock" FontSize="14.667" />

        </StackPanel>
    </Grid>
</Page>

Thread/Lock/LockDemo.xaml.csexpress

/*
 * 演示 lock 的使用
 * 
 * 注：lock 其實就是對 Monitor.Enter() 和 Monitor.Exit() 的一個封裝
 */

using System.Collections.Generic;
using System.Threading.Tasks;
using Windows.UI.Xaml.Controls;
using Windows.UI.Xaml.Navigation;

namespace XamlDemo.Thread.Lock
{
    public sealed partial class LockDemo : Page
    {
        // 須要被 lock 的對象
        private static readonly object _objLock = new object();

        private static int _countWithoutLock;
        private static int _countWithLock;

        public LockDemo()
        {
            this.InitializeComponent();
        }

        protected async override void OnNavigatedTo(NavigationEventArgs e)
        {
            List<Task> tasks = new List<Task>();

            // 一共 100 個任務並行執行，每一個任務均累加同一個靜態變量 100000 次，以模擬併發訪問靜態變量的場景
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                Task task = Task.Run(
                    () =>
                    {
                        /******************有鎖的邏輯開始******************/
                        try
                        {
                            // 經過 lock 鎖住指定的對象以取得排它鎖，在 lock 區域內的代碼執行完畢後釋放排它鎖，排它鎖釋放以前其它進入到此的線程會排隊等候
                            lock (_objLock)
                            {
                                for (int j = 0; j < 100000; j++)
                                {
                                    _countWithLock++;
                                }
                            }
                        }
                        finally { }
                        /******************有鎖的邏輯結束******************/


                        /******************沒鎖的邏輯開始******************/
                        for (int j = 0; j < 100000; j++)
                        {
                            _countWithoutLock++;
                        }
                        /******************沒鎖的邏輯結束******************/
                    });

                tasks.Add(task);
            }

            // 等待全部任務執行完畢
            await Task.WhenAll(tasks);

            lblMsgWithoutLock.Text = "計數器（不帶鎖）結果：" + _countWithoutLock.ToString();
            lblMsgWithLock.Text = "計數器（帶鎖）結果：" + _countWithLock.ToString();
        }
    }
}

二、演示 Monitor 的使用
Thread/Lock/MonitorDemo.xamlwindows

<Page
    x:Class="XamlDemo.Thread.Lock.MonitorDemo"
    xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
    xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
    xmlns:local="using:XamlDemo.Thread.Lock"
    xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"
    xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"
    mc:Ignorable="d">

    <Grid Background="Transparent">
        <StackPanel Margin="120 0 0 0">

            <TextBlock Name="lblMsg" FontSize="14.667" />

        </StackPanel>
    </Grid>
</Page>

Thread/Lock/MonitorDemo.xaml.cs多線程

/*
 * 演示 Monitor 的使用
 * 
 * 本例說明：
 * 因爲 Task 基於線程池，因此 task1 和 task2 的啓動順序是不必定的，如下步驟假定 task1 先執行，task2 後執行
 * 一、task1 取得排它鎖
 * 二、task1 Monitor.Wait() - 釋放排它鎖，而後 task1 進入等待隊列，能夠爲其指定一個超時時間，超過則進入就緒隊列
 * 三、task2 取得排它鎖
 * 四、task2 Monitor.Pulse() - 讓等待隊列中的一個線程進入就緒隊列（Monitor.PulseAll() 的做用是將等待隊列中的所有線程所有放入就緒隊列）
 * 五、task1 進入就緒隊列
 * 六、task2 Monitor.Wait() - 釋放排它鎖，而後 task2 進入等待隊列
 * 七、task1 取得排它鎖
 * 八、以上步驟不斷往復
 * 
 * 注：
 * 一、Wait() 和 Pulse() 必須在 Enter() 和 Exit() 之間，或者在 lock(){ } 中
 * 二、只有就緒隊列中的線程才能取得排它鎖，等待隊列中的線程是沒法取得排它鎖的
 */

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using Windows.UI.Xaml.Controls;
using Windows.UI.Xaml.Navigation;

namespace XamlDemo.Thread.Lock
{
    public sealed partial class MonitorDemo : Page
    {
        // 須要被 lock 的對象
        private static readonly object _objLock = new object();

        public MonitorDemo()
        {
            this.InitializeComponent();
        }

        protected async override void OnNavigatedTo(NavigationEventArgs e)
        {
            string result = "";

            // 在 task1 中執行則爲 true，在 task2 中執行則爲 false
            bool flag = true;

            Task task1 = Task.Run(
                () =>
                {
                    try
                    {
                        // 在指定的對象上取得排它鎖
                        Monitor.Enter(_objLock);

                        for (int i = 0; i < 10; i++)
                        {
                            if (flag)
                                Monitor.Wait(_objLock); 

                            flag = true;

                            result += string.Format("task1 i:{0}, taskId:{1}", i, Task.CurrentId);
                            result += Environment.NewLine;

                            Monitor.Pulse(_objLock);
                        }
                    }
                    finally
                    {
                        // 在指定的對象上釋放排它鎖
                        Monitor.Exit(_objLock);
                    }
                });

            Task task2 = Task.Run(
                () =>
                {
                    try
                    {
                        // 在指定的對象上取得排它鎖
                        Monitor.Enter(_objLock);

                        for (int i = 0; i < 10; i++)
                        {
                            if (!flag)
                                Monitor.Wait(_objLock);

                            flag = false;

                            result += string.Format("task2 i:{0}, taskId:{1}", i, Task.CurrentId);
                            result += Environment.NewLine;

                            Monitor.Pulse(_objLock);
                        }
                    }
                    finally
                    {
                        // 在指定的對象上釋放排它鎖
                        Monitor.Exit(_objLock);
                    }
                });

            await Task.WhenAll(task1, task2);

            lblMsg.Text = result;
        }
    }
}

三、演示 Interlocked 的使用
Thread/Lock/InterlockedDemo.xaml併發

<Page
    x:Class="XamlDemo.Thread.Lock.InterlockedDemo"
    xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
    xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
    xmlns:local="using:XamlDemo.Thread.Lock"
    xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"
    xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"
    mc:Ignorable="d">

    <Grid Background="Transparent">
        <StackPanel Margin="120 0 0 0">

            <TextBlock Name="lblMsgWithoutLock" FontSize="14.667" />
            <TextBlock Name="lblMsgWithLock" FontSize="14.667" />

        </StackPanel>
    </Grid>
</Page>

Thread/Lock/InterlockedDemo.xaml.csapp

/*
 * 演示 Interlocked 的使用
 * 
 * Interlocked - 爲多個線程共享的數字型變量提供原子操做，其提供了各類原子級的操做方法，如：增減變量、比較變量、指定變量的值
 * 
 * 注：
 * long Read(ref long location) - 用於在 32 位系統上以原子方式讀取 64 位值（32 位系統訪問 32 位值自己就是原子的，64 位系統訪問 64 位值自己就是原子的）
 */

using System.Collections.Generic;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using Windows.UI.Xaml.Controls;
using Windows.UI.Xaml.Navigation;

namespace XamlDemo.Thread.Lock
{
    public sealed partial class InterlockedDemo : Page
    {
        private static int _countWithoutLock;
        private static int _countWithLock;

        public InterlockedDemo()
        {
            this.InitializeComponent();
        }

        protected async override void OnNavigatedTo(NavigationEventArgs e)
        {
            List<Task> tasks = new List<Task>();

            // 一共 100 個任務並行執行，每一個任務均累加同一個靜態變量 100000 次，以模擬併發訪問靜態變量的場景
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                Task task = Task.Run(
                    () =>
                    {
                        /******************有鎖的邏輯開始******************/
                        for (int j = 0; j < 100000; j++)
                        {
                            // 原子方式讓 _countWithLock 加 1
                            Interlocked.Increment(ref _countWithLock);
                        }
                        /******************有鎖的邏輯結束******************/


                        /******************沒鎖的邏輯開始******************/
                        for (int j = 0; j < 100000; j++)
                        {
                            _countWithoutLock++;
                        }
                        /******************沒鎖的邏輯結束******************/
                    });

                tasks.Add(task);
            }

            await Task.WhenAll(tasks);

            lblMsgWithoutLock.Text = "計數器（不帶鎖）結果：" + _countWithoutLock.ToString();
            lblMsgWithLock.Text = "計數器（帶鎖）結果：" + _countWithLock.ToString();
        }
    }
}

四、演示 Mutex 的使用
Thread/Lock/MutexDemo.xamlasp.net

<Page
    x:Class="XamlDemo.Thread.Lock.MutexDemo"
    xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
    xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
    xmlns:local="using:XamlDemo.Thread.Lock"
    xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"
    xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"
    mc:Ignorable="d">

    <Grid Background="Transparent">
        <StackPanel Margin="120 0 0 0">

            <TextBlock Name="lblMsgWithoutLock" FontSize="14.667" />
            <TextBlock Name="lblMsgWithLock" FontSize="14.667" />

        </StackPanel>
    </Grid>
</Page>

Thread/Lock/MutexDemo.xaml.csasync

/*
 * 演示 Mutex 的使用
 * 
 * Mutex - 互斥鎖，主要用於同一系統內跨進程的互斥鎖
 */

using System.Collections.Generic;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using Windows.UI.Xaml.Controls;
using Windows.UI.Xaml.Navigation;

namespace XamlDemo.Thread.Lock
{
    public sealed partial class MutexDemo : Page
    {
        private Mutex _mutex = new Mutex();

        private static int _countWithoutLock;
        private static int _countWithLock;

        public MutexDemo()
        {
            this.InitializeComponent();
        }

        protected async override void OnNavigatedTo(NavigationEventArgs e)
        {
            List<Task> tasks = new List<Task>();

            // 一共 100 個任務並行執行，每一個任務均累加同一個靜態變量 100000 次，以模擬併發訪問靜態變量的場景
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                Task task = Task.Run(
                    () =>
                    {
                        /******************有鎖的邏輯開始******************/
                        // 當前線程拿到 Mutex，阻塞當前線程，能夠指定阻塞的超時時間
                        _mutex.WaitOne(); 

                        for (int j = 0; j < 100000; j++)
                        {
                            _countWithLock++;
                        }

                        // 釋放 Mutex
                        _mutex.ReleaseMutex();
                        /******************有鎖的邏輯結束******************/


                        /******************沒鎖的邏輯開始******************/
                        for (int j = 0; j < 100000; j++)
                        {
                            _countWithoutLock++;
                        }
                        /******************沒鎖的邏輯結束******************/
                    });

                tasks.Add(task);
            }

            await Task.WhenAll(tasks);

            lblMsgWithoutLock.Text = "計數器（不帶鎖）結果：" + _countWithoutLock.ToString();
            lblMsgWithLock.Text = "計數器（帶鎖）結果：" + _countWithLock.ToString();
        }
    }
}

五、演示 ReaderWriterLockSlim 的使用
Thread/Lock/ReaderWriterLockDemo.xaml

<Page
    x:Class="XamlDemo.Thread.Lock.ReaderWriterLockDemo"
    xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
    xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
    xmlns:local="using:XamlDemo.Thread.Lock"
    xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"
    xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"
    mc:Ignorable="d">

    <Grid Background="Transparent">
        <StackPanel Margin="120 0 0 0">

            <TextBlock Name="lblMsgForRead" FontSize="14.667" />
            <TextBlock Name="lblMsgForWrite" FontSize="14.667" />

        </StackPanel>
    </Grid>
</Page>

Thread/Lock/ReaderWriterLockDemo.xaml.cs

/*
 * 演示 ReaderWriterLockSlim 的使用
 * 
 * ReaderWriterLock - 讀寫鎖（WinRT 中不提供）
 * ReaderWriterLockSlim - 輕量級的 ReaderWriterLock
 *     支持進入/離開讀鎖，進入/離開寫鎖，讀鎖升級爲寫鎖
 *     支持相關狀態的獲取，如：當前線程是否進入了讀鎖以及進入讀鎖的次數，是否進入了寫鎖以及進入寫鎖的次數，是否由讀鎖升級爲了寫鎖以及由讀鎖升級爲寫鎖的次數
 * 
 * 注：
 * 一、每次能夠有多個線程進入讀鎖
 * 二、每次只能有一個線程進入寫鎖
 * 三、進入寫鎖後，沒法進入讀鎖
 * 
 * 
 * 本例模擬了一個「高頻率讀，低頻率寫」的場景
 */

using System;
using System.Threading;
using Windows.System.Threading;
using Windows.UI.Xaml.Controls;
using Windows.UI.Xaml.Navigation;

namespace XamlDemo.Thread.Lock
{
    public sealed partial class ReaderWriterLockDemo : Page
    {
        ReaderWriterLockSlim _rwLock = new ReaderWriterLockSlim();

        public ReaderWriterLockDemo()
        {
            this.InitializeComponent();
        }

        protected override void OnNavigatedTo(NavigationEventArgs e)
        {
            ThreadPoolTimer.CreatePeriodicTimer(
                (timer) =>
                {
                    // 進入讀鎖
                    _rwLock.EnterReadLock();

                    OutMsgForRead("讀：" + DateTime.Now.ToString("mm:ss.fff"));

                    // 離開讀鎖
                    _rwLock.ExitReadLock();
                },
                TimeSpan.FromMilliseconds(100));


            ThreadPoolTimer.CreatePeriodicTimer(
               (timer) =>
               {
                   // 進入寫鎖
                   _rwLock.EnterWriteLock();

                   new ManualResetEvent(false).WaitOne(3000); // 本線程停 3000 毫秒
                   OutMsgForWrite("寫：" + DateTime.Now.ToString("mm:ss.fff"));

                   // 離開寫鎖
                   _rwLock.ExitWriteLock();
               },
               TimeSpan.FromMilliseconds(5000));
        }

        private async void OutMsgForRead(string msg)
        {
            await Dispatcher.RunAsync(
                Windows.UI.Core.CoreDispatcherPriority.High,
                () =>
                {
                    lblMsgForRead.Text = msg;
                });
        }

        private async void OutMsgForWrite(string msg)
        {
            await Dispatcher.RunAsync(
                Windows.UI.Core.CoreDispatcherPriority.High,
                () =>
                {
                    lblMsgForWrite.Text = msg;
                });
        }
    }
}